热处理工艺

什么是渗碳:将钢制工件放在含碳介质中加热到高温,以增加工件表层含碳量的化学热处理工艺。

渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。

渗碳后,钢件表面的化学成分可接近高碳钢。

工件渗碳后还要经过淬火,以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度,并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性,使工件能承受冲击载荷。

渗碳工艺广泛用于飞机、汽车和拖拉机等的机械零件,如齿轮、轴、凸轮轴等。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。

最早是用固体渗碳介质渗碳。

液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。

美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。

30年代,连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。

60年代高温(960~1100℃)气体渗碳得到发展至70年代,出现了真空渗碳和离子渗碳。

原理渗碳与其他化学热处理一样,也包含3个基本过程。

①分解:渗碳介质的分解产生活性碳原子。

②吸附:活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中,使奥氏体中含碳量增加。

③扩散:表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差,表面的碳遂向内部扩散。

碳在钢中的扩散速度主要取决于温度,同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。

渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。

渗碳后必须进行淬火才能充分发挥渗碳的有利作用。

工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物,心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织,但应避免出现铁素体。

一般渗碳层深度范围为 0.8~1.2毫米,深度渗碳时可达2毫米或更深表面硬度可达HRC58~63,心部硬度为HRC30~42。

渗碳淬火后,工件表面产生压缩内应力,对提高工件的疲劳强度有利。

因此渗碳被广泛用以提高零件强度、冲击韧性和耐磨性,借以延长零件的使用寿命。

分类按含碳介质的不同,渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳和碳氮共渗。

固体渗碳把零件埋在装满固体渗碳剂(主要成分是木炭,并有碳酸钠、碳酸钡等作催渗剂)的容器中加热,在高温下通过碳与催渗剂的化学反应分解出活性碳原子,渗入零件表面。

固体渗碳可以在各种加热炉中进行,简单易行,但质量不易控制,周期长,劳动条件差。

液体渗碳把零件浸入熔融盐浴中进行。

盐浴的主要成分有氰化钠、氯化钠、碳酸钠和氯化钡等。

各种盐的成分可通过不同温度加以调节。

一般薄层渗碳多采用低温(850~900℃)、低浓度氰化物盐浴(也称液体氰化或液体碳氮共渗)。

深层渗碳多采用较高温度(900~950℃),氰化物含量为6~16%。

另一种是无氰液体渗碳,主要盐浴成分是氯化钠、氯化钾和碳酸钠,加上经过加工制作的渗碳剂:炭粉、碳化硅和尿素。

气体渗碳把零件放入密封的渗碳炉中,在渗碳介质中用吸热式气体作为运载气体,用天然气或丙烷作为富化气。

也可采用滴注式液体渗碳剂,以煤油、苯、丙酮或醋酸乙酯作为强渗剂,用甲醇、乙醇作为稀释剂。

这些液体滴入炉内后在高温下汽化、分解产生成分稳定的渗碳气体。

气体渗碳设备主要有两种:一种是连续式推杆无罐炉,另一种是周期式的密封箱式炉和井式炉。

滴注式渗碳多用于井式炉,也可用于周期式密封箱式炉。

气体渗碳的最大优点是:可以通过控制系统控制富化气送入量或渗剂的滴入量,以改变炉气的碳势(见可控气氛),从而控制零件表面的含碳量。

气体渗碳适用于大批量生产,易于控制质量和自动化,劳动条件好。

碳氮共渗以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺。

共渗时,加到气体渗碳气氛中的氨分解成氢和单原子氮,氮与来自渗碳气体的碳一起吸附在工件的表面上。

由于氮的同时渗入,铁碳的共析转变温度可以降低,使共析转变能在较渗碳为低的温度下进行,因而处理温度较低。

同时由于氮的作用,马氏体临界冷却速度(见淬火)也得以降低,可在较缓和的淬冷介质中淬冷,减小淬冷畸变和开裂的倾向。

碳氮共渗层中因有碳氮化物,能提高硬度,从而提高耐磨性。

金属工件表面的碳、氮含量和总的渗层深度,决定于气氛中的碳势、温度和时间。

碳氮共渗层深度较渗碳的浅,一般为0.05~0.75毫米。

碳氮共渗层淬冷后显微组织为马氏体、残余奥氏体、碳化物和碳氮化合物,心部为低碳马氏体或含有非马氏体组织。

对载荷不大的零件可允许有少量铁素体。

碳氮共渗工件的材料一般采用低碳或中碳钢及合金钢,适用于处理耐磨零件和小汽车、轻型载重车变速箱齿轮和驱动轴。

碳氮共渗和渗碳一样,也可以控制碳势,处理后也要进行淬火和回火。

什么是淬火:钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。

通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

淬火能使钢强化的根本原因是相变,即奥氏体组织通过相变而成为马氏体组织(或贝氏体组织)。

钢淬火工艺最早的应用见于河北易县燕下都遗址出土的战国时代的钢制兵器。

淬火工艺最早的史料记载见于《汉书.王褒传》中的“清水焠其峰”。

“淬火”在专业文献上,人们写的是“淬火”,而读起来又称“蘸火”。

“蘸火”已成为专业口头交流的习用词,但文献中又看不到它的存在。

也就是说,淬火是标准词,人们不读它,“蘸火”是常用词,人们却不写它,这是我国文字中不多见的现象。

淬火是“蘸火”的正词,淬火的古词为蔯火,本义是灭火,引申义是“将高温的物体急速冷却的工艺”。

“蘸火”是冷僻词,属于现代词,是文字改革后出现的产物,“蘸”字本义与淬火无关。

“蘸火”本词为“湛火”,“湛”字读音同“蘸”,而其字形又与水、火有关,符合“水与火合为蔯”之意,字义与“淬火”相通。

“湛火”为本词,“蘸火”则为假借词。

淬火效果的重要因素,淬火工件硬度要求和检测方法:淬火工件的硬度影响了淬火的效果。

淬火工件一般采用洛氏硬度计,测试HRC 硬度。

淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA的硬度。

厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒,可改用表面洛氏硬度计,测试HRN硬度。

在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。

由于淬火后金属硬而脆,产生的表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度的基础上,消除冷裂纹的手段之一。

淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适,对于过大的零件,淬火深度不够,渗碳也存在同样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。

什么是回火:又称配火。

金属热处理工艺的一种。

将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。

或将淬火后的合金工件加热到适当温度,保温若干时间,然后缓慢或快速冷却。

一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力,或降低其硬度和强度,以提高其延性或韧性。

根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。

通常随着回火温度的升高,硬度和强度降低,延性或韧性逐渐增高。

钢铁工件在淬火后具有以下特点:①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡(即不稳定)组织。

②存在较大内应力。

③力学性能不能满足要求。

因此,钢铁工件淬火后一般都要经过回火。

作用回火的作用在于:①提高组织稳定性,使工件在使用过程中不再发生组织转变,从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。

②消除内应力,以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。

③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。

回火之所以具有这些作用,是因为温度升高时,原子活动能力增强,钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散,实现原子的重新排列组合,从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。

内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。

一般钢铁回火时,硬度和强度下降,塑性提高。

回火温度越高,这些力学性能的变化越大。

有些合金元素含量较高的合金钢,在某一温度范围回火时,会析出一些颗粒细小的金属化合物,使强度和硬度上升。

这种现象称为二次硬化。

要求用途不同的工件应在不同温度下回火,以满足使用中的要求。

①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。

低温回火后硬度变化不大,内应力减小,韧性稍有提高。

②弹簧在350~500℃下中温回火,可获得较高的弹性和必要的韧性。

③中碳结构钢制作的零件通常在500~600℃进行高温回火,以获得适宜的强度与韧性的良好配合。

淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。

钢在300℃左右回火时,常使其脆性增大,这种现象称为第一类回火脆性。

一般不应在这个温度区间回火。

某些中碳合金结构钢在高温回火后,如果缓慢冷至室温,也易于变脆。

这种现象称为第二类回火脆性。

在钢中加入钼,或回火时在油或水中冷却,都可以防止第二类回火脆性。

将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度,便可以消除这种脆性。