金属热处理工艺学汇总.docx
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金属热处理工艺学汇总.docx
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金属热处理工艺学汇总
金属热处理工艺学
课程学习总结
班级:
材科11-1
姓名:
夏传兴
学号:
20110051
2014.7.10
一金属的加热
1.1金属加热的物理过程及及其影响因素
加热介质和工件表面传热过程,影响传热系数α的因素
1、对流传热:
对流传热:
热量的传递靠发热体与工件之间流动进行。
实验证明,单位时间内加热介质传递给工件表面的热量有如下关系:
影响对流给热系数的因素:
(1)液体的运动的情况:
静止和强迫流动。
(2)液体的物理性质:
流体的导热系数、比热和密度、粘度等;(3)工件的表面形状及其在炉内放置位置;
2、辐射传热:
任何一种物体,只要其温度大于绝对零度,就能从表面发出辐射能(电磁波)。
3、传导传热:
靠物质之间的相互碰撞。
需要说明的是:
实际工件在传热过程中,三种传热方式同时存在,所不同的是有这种传热方式为主,有的场合以另一种传热方式为主。
1、2工件内部的热传导过程
工件内部传热主要以传导传热,工件表面获取能量后,表面温度升高,在表面和心部存在温度梯度,发生传导传热传热强度以比热流量表示:
λ为热传导系数:
表示材料具有单位温度梯度时所允许通过的流量密度。
影响λ的因素:
(1)钢的化学成分:
合金元素及碳含量一般降低传热系数。
(2)组织状态:
随钢中组织组成物,按奥氏体、马氏体、回火马氏体、珠光体顺序增大。
(3)加热温度:
热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系
1、3热处理时间的确定
热处理加热时间包括:
工件达到热处理规范所要求温度的时间;完成组织转变及其它热处理所要求的组织结构状态变化所需要的时间。
简单地说温度升高的时间和保温时间。
确定加热时间一般有计算法和经验法。
影响热处理工件加热的因素:
(1)加热方式的影响(随炉加热、预热加热、到温入炉加热和高温入炉加热)。
(2)加热介质和工件放置方式的影响。
(气体、熔融性金属液体、流态化炉、真空炉)。
(3)工件的放置位置和本身的几何形状。
1、4金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择
工件在不同介质中加热时,必定要和周围介质发生作用,即化学反应,最典型是氧化,脱碳。
1、钢件的氧化和脱碳过程
氧化:
材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化物层。
其危害是不仅使工件表面便色,失去光泽,而且使机械性能变坏(如疲劳性能)因此要防止氧化。
氧化反应:
对于铁来说,根据加热温度不同,常见的氧化反应也不同。
氧化物的组织形式:
(1)
:
磁性氧化铁,在570度以下形成,组织严密,一旦形成氧化速度较慢,如步
枪枪支要氧化处理。
(2)
:
当T>570度时,由于氧原子扩散加快,逐渐形成无磁性氧化铁。
(3)FeO:
温度继续升高,O,Fe原子相对扩散,形成疏松FeO,氧化速度加剧。
脱碳现象:
当时,工件发生脱碳;
当时,达到平衡,既不脱碳,也不增碳。
2、炉气的碳势及测定炉气的碳势表示炉气对钢表面增碳或脱碳的能力。
主要取决于炉气的成分,如在吸热式气氛中,影响碳势的主要气体是CO、H2、CO2、H2O、CH4,其中CO和H2的含量是固定的,其它气氛就存在一定关系:
此时,通过测量氧含量来测量炉气的碳势,测量器具如下:
(1)红外线CO2分析仪
(2)露点仪(露点指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度)(3)氧探头(测量炉气中氧分压)3、钢加热时的脱碳过程及脱碳层的组织特点
钢在加热过程中将发生脱碳,其组织有两种类型:
一种是半脱碳层;另一种叫全脱碳层;4、加热介质的选择
(1)真空加热
(2)保护气氛(吸热式气氛、放热式气氛)(3)氨热分解气(4)氮基保护气氛(5)液滴式保护气氛(6)其它加热介质二、退火和正火
2、1退火、正火的定义、目的和分类
退火:
将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度,保持一定时间,然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
退火目的:
目的在于均匀化学成分、达到改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力,并为零件最终热处理准备合适的内部组织。
退火工艺:
按加热分为两类:
一类是在临界温度Ac1(或Ac3)以上的退火,包括完全退火、不完全退火,扩散退火和球化退火,另一类是在临界温度以下的退火,包括软化退火,再结晶退火及去应力退火等。
正火:
将钢材或钢件加热到Ac3(或Accm)以上适当温度,保温适当时间后在空气中冷却,得到珠光体组织的热处理工艺。
正火目的:
目的在于获得一定的硬度,细化晶粒,并获得比较均匀的组织和性能。
图1Fe-C相图临界点以及组织示意图
2、2常用退火工艺方法1、扩散退火
扩散退火又称均匀化退火。
将金属铸锭或锻坯,在稍低于固相线的温度下长期加热,消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性,以达到均匀化的目的的热处理工艺。
偏析的主要表现:
(1)化学成分的不均匀性.
(2)非金属夹杂物的不均匀性分布.(3)偏析区还形成大量显微及宏观的气泡,气孔。
偏析的危害:
由于偏析存在使大量铸、锻件成分及组织不均匀存在很大组织应力,它直接涉及到钢的热处理及其机械性能。
2、完全退火
将钢件或钢材加热到AC3点以上,使之完全奥氏体化,然后缓慢冷却,获得接近于平衡组织的热处理工艺。
目的:
细化晶粒,降低硬度,改善削性能以及消除内力。
因此,完全退火不宜太高,一般在AC3点以上20-30℃,适用于含碳的中碳钢。
3、不完全退火
将钢件加热至AC1和AC3(ACcm)之间,经保温并缓慢冷却,以获得接近平衡的组织。
这种热处理工艺成为不完全退火。
4、球化退火将钢中的碳化物球状化,获得球状珠光体的退火工艺称为球化退火。
球化退火工艺:
方案1:
低于AC1点温度的球化退火。
该种工艺方法是把退火钢材加热到略低于AC1的温度,经长时间保温,使碳化物又片状变成球状的方法。
方案2:
往复球化退火。
这是一种周期退火,目的是加速球化过程。
把钢先加热到略高于Ac1点的温度,接着冷却到Ar1,如此重复多次,最后空冷到室温,获得球状珠光体。
方案3:
一次球化退火法。
此种退火工艺是目前生产上最常用的球化退火工艺。
实际上是一种不完全退火。
5、再结晶退火和消除应力退火
经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上,保持适当时间,使形变晶粒重新转变维均匀的等轴晶粒,以消除形变强化和残余应力的热处理工艺,称为再结晶退火。
再结晶退火在高于再结晶温度进行,再结晶温度随着合金成分及冷塑性变形量而有所变化。
为产生再结晶所需的最小变形量称为临界变形量.钢的临界变形量为6—10%。
再结晶温度随变形量增加而降低,到一定值时不再变化。
纯金属的再结晶温度:
铁为450℃,铜为270℃,铝为100℃。
一般钢材再结晶退火温度常取650—700℃,铜合金为600~700℃,铝合金为350—400℃。
去应力退火:
为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余应力(但不引起组织的变化)而进行的退火,称为去应力退火。
2、3钢的正火
将钢材或钢件加热到Ac3(或Accm)以上适当温度,保温适当时间后在空气中冷却,得到珠光体组织的热处理工艺称为正火。
正火加热温度一般为Ac3或Accm以上30-50℃。
正火目的:
目的在于获得一定的硬度,细化晶粒,并获得比较均匀的组织和性能。
正火时应考虑如下问题:
1、低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。
2、中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式。
3、过共析钢正火,一般是为了消除网状碳化物,故加热时必须保证碳化物全部溶入奥氏体。
4、双重正火,有些锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织,一次正火不能达到细化组织的目的,为此采用二次正火,始可获得良好结果。
2、4退火、正火后的钢的组织和性能
退火和正火所得到的均是珠光体型组织,或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。
在生产上对退火、正火工艺的选用,根据钢中含碳量不同,一般按如下原则选择:
(1)含碳量0.25%以下的钢,在没有其它热处理工序时,可用正火来提高强度。
(2)对渗碳钢,用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。
(3)对含碳0.25—0.50%的钢,一般采用正火。
(4)对含碳0.50—0.75%的钢,一般采用完全退火。
(5)含碳0.75~1.0%的钢,有的用来制造弹簧,有的用来制造刀具。
前者采用完全退
火作预备热处理,后者则采用球化退火。
(6)含碳大于1.0%的钢用于制造工具,均采用球化退火作预备热处理。
2、5退火、正火缺陷
退火、正火的缺陷包括:
(1)过烧,由于加热温度过高,出现晶界氧化,甚至晶界局部熔化,工件报废。
(2)黑脆,退火温度过高,保温时间过长,冷却缓慢,珠光体转变按更稳定的Fe-C平衡图进行,组织呈现石墨化。
造成工件报废。
(3)粗大魏氏组织,加热温度过高,冷却速度慢造成,可用正火(双重正火)消除。
(4)反常组织,由于退火时在Ar1点附近冷却过慢,可利用退火消除。
(5)网状组织,由加热温度过高,冷却过慢导致,采用正火消除网状渗碳体。
(6)球化不均匀,由于球化退火前没有消除网状渗碳体,在球化退火时聚集而成。
重新进行正火和球化退火来消除。
(7)硬度过高,重新退火来消除。
三、钢的淬火和回火
3、1淬火的定义、目的,淬火的必要条件 把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上,保温并随之以大于临界冷却速度(Vc)冷却,以得到介稳状的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。
淬火的目的
(1)提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性;
(2)结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能;
(3)此外,还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。
如提高磁钢的磁性,不锈钢淬火以消除第二相,从而改善其耐蚀性等。
淬火的必要条件:
(1)是加热温度必须高于临界点以上(即亚共析钢Ac3,过共析钢Ac1),以获得奥氏体
组织。
(2)冷却速度必须大于临界冷却速度,而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。
3、2淬火介质1、淬火介质
即为实现淬火目的用的冷却介质。
淬火介质要求:
(1)具有冷却能力;
(2)适用钢种范围宽,淬火变形开裂倾向小,使用过程中不变质,不腐蚀工件,不粘接工件,不易燃,无公害,来源广泛。
淬火介质分类:
液态、气态、固态。
其中液态介质中分为物态变化和无物态变化。
钢件冷却的三个阶段:
(1)蒸汽膜阶段
(2)沸腾阶段(3)对流阶段
图2.临界冷却速度示意图
2、淬火介质的冷却特性的测定:
淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度H,规定静止水的淬火烈度H=1,其它淬火介质的淬火烈度由与静止水的冷却能力比较而得。
3:
常用淬火介质及其冷却特性:
1、水:
水是最常用的淬火介质,不仅来源丰富,而且具有良好的物理和化学性能。
其有以下特点:
(1)水温对冷却特性影响很大,随着水温的升高,水的冷却特性降低,特别是蒸汽膜阶段延长,特性温度降低;
(2)水的冷却速度快,特别是在40~100度温度范围内的冷却速度特别快;(3)循环水的冷却能力大于静止水的,特别是蒸汽膜阶段的冷却能力提高的更多。
2、盐水及碱水 水中溶入盐、碱等物质减少了蒸汽膜的稳定性,使蒸汽膜阶段变短,特性温度提高,从而加快了冷却速度。
食盐水溶液的冷却能力在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提高,随温度提高,冷却能力降低。
碱水溶液作淬火介质时它能和已氧化的工件表面发生反应,淬火后工件表面呈银白色,具有良好的外观,但这种溶液对工件和设备腐蚀较大,淬火时有刺激性气味,因此未能广泛应用。
3、油 目前工业上主要采用的是矿物油,它是从天然石油中提炼出来的。
油的特性温度较水高,在500~350度左右处于沸腾阶段,冷却速度最快,其下就比较慢。
4、有机物质的水溶液及乳化液
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