金屬熱處理的方法有哪些?
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將金屬在固態(tài)(tài)范圍內通過(guò)(guò)一定方式的加熱、保溫和冷卻處理程序,使金屬的性能和顯微組織獲得改善或改變,這種工藝方法稱(chēng)(chēng)為熱處理。根據熱處理的目的不同,有不同的熱處理方法,主要可分為下述幾種:
(1)退火(代號Th):在退火熱處理爐內,將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右,其顯微組織將發(fā)(fā)生相變或部分相變,例如鋼被加熱到此溫度時(shí)(shí),珠光體將轉變?yōu)閵W氏體。然后保溫一段時(shí)(shí)間,再緩慢冷卻(一般為隨爐冷卻)至室溫出爐,這整個(gè)(gè)過(guò)(guò)程稱(chēng)(chēng)為退火處理。退火的目的是清除熱加工時(shí)(shí)產(chǎn)(chǎn)生的內應力,使金屬的顯微組織均勻化(得到近似平衡的組織),改善機械性能(例如降低硬度,提高塑性、韌性和強度等),改善切削加工性能等等。視退火處理工藝的不同,可分為普通退火、雙重退火、擴散退火、等溫退火、球化退火、再結晶退火、光亮退火、完全退火、不完全退火等多種退火工藝方式。
(2)正火(代號Z):在熱處理爐內,將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上200~600℃左右,使顯微組織全部變成均勻的奧氏體(例如鋼在此溫度時(shí)(shí),鐵素體完全轉變?yōu)閵W氏體,或者二次滲碳體完全溶解于奧氏體),保溫一段時(shí)(shí)間,然后置于空氣中自然冷卻(包括吹風(fēng)(fēng)冷卻和堆放自然冷卻,或者單件在無(wú)(wú)風(fēng)(fēng)空氣中自然冷卻等多種方法),這整個(gè)(gè)過(guò)(guò)程稱(chēng)(chēng)為正火處理。正火是退火的一種特殊形式,由于其冷卻速度比退火快,能得到較細的晶粒和均勻的組織,使金屬的強度和硬度有所提高,具有較好的綜合機械性能。
(3)淬火(代號C):在熱處理爐內,將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右,使顯微組織全部轉變成均勻的奧氏體,保溫一段時(shí)(shí)間,然后快速冷卻(冷卻介質(zhì)(zhì)包括水、油、鹽水、堿水等等),獲得馬氏體組織,可顯著(zhù)(zhù)提高金屬的強度、硬度和耐磨性等等。淬火時(shí)(shí)的快速冷卻導致的急劇組織轉變會(huì )(huì )產(chǎn)(chǎn)生較大的內應力,并使脆性增大,因此必須隨后及時(shí)(shí)進(jìn)(jìn)行回火處理或時(shí)(shí)效處理,以獲得高強度與高韌性相配合的性能,一般較少僅僅采用淬火處理的工藝。視淬火處理的對象和目的不同,淬火處理可分為普通淬火、完全淬火、不完全淬火、等溫淬火、分級淬火、光亮淬火、高頻淬火等多種淬火工藝方式。
(4)表面淬火:這是淬火處理中的一種特殊方式,它是利用例如火焰加熱法、高頻感應加熱法、工頻感應加熱法、電接觸加熱法、電解液加熱法等多種加熱方式,使金屬的表面快速加熱到臨界溫度以上,在熱量還未來(lái)(lái)得及傳入金屬內部之前就迅速加以冷卻(即淬火處理),這樣可以達到將金屬表面淬硬到一定深度(形成有一定深度的淬硬層),而金屬內部仍保持原組織,滿(mǎn)(mǎn)足外硬內韌的使用需要。表面淬火的加熱速度快、溫度高,金屬內外溫差大,加上冷卻速度快,因此內應力很大,容易產(chǎn)(chǎn)生裂紋,這是必須注意的。
(5)回火(代號H):將已淬火的金屬重新加熱到臨界溫度以下的某一溫度(視此溫度的不同而有高溫回火、中溫回火和低溫回火之分),保溫一段時(shí)(shí)間,然后在空氣中或油中冷卻,這整個(gè)(gè)過(guò)(guò)程稱(chēng)(chēng)為回火處理?;鼗鹛幚淼哪康氖墻檔痛慊鹛幚硪鸕拇嘈院拖齼葢?,穩定金屬零件的幾何尺寸和獲得所需要的機械性能。
金屬材料淬火后如果不及時(shí)(shí)回火,則往往容易造成工件開(kāi)(kāi)裂(硬度很高然而脆性很大)和變形較大。但是,如果回火溫度選擇不當,在某些溫度區域回火時(shí)(shí)會(huì )(huì )發(fā)(fā)生回火脆性(回火處理后韌性反而下降),這是必須注意的。
在實(shí)(shí)際應用中,常把淬火+高溫回火統稱(chēng)(chēng)為調質(zhì)(zhì)處理(代號T)。
(6)化學(xué)(xué)熱處理:把金屬放入化學(xué)(xué)介質(zhì)(zhì)中進(jìn)(jìn)行加熱時(shí)(shí),某些化學(xué)(xué)元素的原子將借助高溫發(fā)(fā)生原子擴散,滲入到金屬表面層,改變了金屬表面層的化學(xué)(xué)成分,使金屬表面層具備特定的組織和性能,這種方法稱(chēng)(chēng)為化學(xué)(xué)熱處理?;瘜W(xué)(xué)熱處理的方法主要有:
滲碳-向金屬表面層滲入碳原子,用以提高金屬表面層的含碳量,從而提高金屬表面層的硬度和耐磨性,常用的滲碳介質(zhì)(zhì)是木炭。
滲氮(氮化)-利用氨氣在加熱時(shí)(shí)分解出來(lái)(lái)的活性氮原子滲入金屬表面層,可提高金屬表面層的耐磨性。
碳氮共滲(氰化)-把滲碳與滲氮結合起來(lái)(lái),將活性碳原子與氮原子同時(shí)(shí)滲入金屬表面層來(lái)(lái)提高金屬表面層的硬度和耐磨性。
化學(xué)(xué)熱處理的主要目的是提高金屬表面的硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性以及抗疲勞性等,除了上述常見(jiàn)(jiàn)的三種化學(xué)(xué)熱處理方法外,還有滲硅、滲硼、滲鋁、滲鉻等,以適應不同的目的用途。
(7)時(shí)(shí)效:金屬或合金經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)淬火處理或加工,特別是經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)一定程度的冷、熱加工變形后,其性能會(huì )(huì )隨時(shí)(shí)間而改變,這種現象稱(chēng)(chēng)為時(shí)(shí)效現象,經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)時(shí)(shí)效后的金屬或合金其強度和硬度能有所增加,塑性、韌性和內應力有所降低,顯微組織更加穩定。
在熱處理工藝方法中的時(shí)(shí)效處理,是指把金屬或合金有意識地在室溫或者較高溫度下存放一定時(shí)(shí)間,以達到改善性能、穩定顯微組織目的的工藝過(guò)(guò)程。
將淬火或者淬火+回火后的金屬在時(shí)(shí)效處理爐中加熱到室溫以上(一般為100~200℃左右),保溫一段時(shí)(shí)間,然后取出自然冷卻,這種方法稱(chēng)(chēng)為人工時(shí)(shí)效(若為淬火+人工時(shí)(shí)效,代號為CS)。如果在淬火后利用室溫或自然環(huán)(huán)境溫度達到時(shí)(shí)效效果時(shí)(shí),則稱(chēng)(chēng)為自然時(shí)(shí)效(代號CZ)。
時(shí)(shí)效處理多用于有色金屬,例如鋁合金、鎂合金、鈦合金等,也有用于鋼,以達到穩定顯微組織和幾何尺寸,增強機械性能(強化)的效果。
與時(shí)(shí)效處理相類(lèi)(lèi)似的還有:
固溶強化處理:把金屬加熱到適當溫度,充分保溫,使金屬中的某些組元溶解到固溶體內形成均勻的固溶體,然后急速冷卻,得到過(guò)(guò)飽和固溶體,可以改善金屬的塑性和韌性,然后再作沉淀硬化(強化)處理,提高其強度。
沉淀硬化(強化)處理:把經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)固溶處理或者又經(jīng)(jīng)過(guò)(guò)冷加工變形的金屬加熱到一定溫度,保溫一段時(shí)(shí)間,則從飽和固溶體中析出另一相,達到硬化的目的。
其他還有低溫處理(冷處理)、鹽浴處理等等。