钢的热处理工艺

  钢的热处理工艺

  钢可以进行热处理以产生大范围的微观结构和性能。通常,热处理在加热和冷却过程中使用相变来改变固态的微观结构。在热处理中,加工通常是热加工的,它只改变钢的结构。在钢的热机械处理过程中,钢部件的形状和结构也会得到改变。在钢的热化学过程中,钢的表面化学和结构会被改变。热机械和热化学处理工艺也是钢材热处理的重要工艺方法,这些方法正在热处理领域得到考虑。热处理工艺需要密切控制影响钢加热和冷却的所有因素。加热炉的气氛也会影响被热处理钢的状态。

  所有的热处理过程都包括使钢经受一定的时间-温度循环。该时间-温度循环具有三个组成部分,即 (i) 加热,(ii) 在特定温度范围内保持(浸泡),以及 (iii) 冷却。个别情况可能不同,但存在某些基本目标。

  零件的加热速率取决于几个因素。这些因素是(i)钢的热导率,(ii)钢的状况,以及(iii)钢的尺寸和横截面。钢的导热性是一个重要因素。具有高导热性的钢比具有低导热性的钢以更快的速度加热。除非钢处于高应力状态,例如通过剧烈冷加工或预先硬化,否则加热速率并不是特别重要。在这种情况下,加热速度要慢。这通常是不切实际的,因为用于加热的炉子可能处于工作温度,将冷钢放入热炉中会导致变形甚至开裂。这种危险可以通过使用预热炉来最小化,该预热炉的温度保持在低于铁碳相图中的 A1 温度(图 1)。然后将预热足够时间的钢转移到处于工作温度的熔炉中。当处理截面厚度变化很大或热导率非常低的钢时,该程序也是有利的。

  钢的热处理工艺

  萨提延德拉2020 年 2 月 29 日0 条评论 退火, 渗碳, 表面 硬化, 氰化, 淬火, 渗氮, 正火, 淬火, S 曲线, 回火, TTT 曲线

  钢的热处理工艺

  钢可以进行热处理以产生大范围的微观结构和性能。通常,热处理在加热和冷却过程中使用相变来改变固态的微观结构。在热处理中,加工通常是热加工的,它只改变钢的结构。在钢的热机械处理过程中,钢部件的形状和结构也会得到改变。在钢的热化学过程中,钢的表面化学和结构会被改变。热机械和热化学处理工艺也是钢材热处理的重要工艺方法,这些方法正在热处理领域得到考虑。热处理工艺需要密切控制影响钢加热和冷却的所有因素。加热炉的气氛也会影响被热处理钢的状态。

  所有的热处理过程都包括使钢经受一定的时间-温度循环。该时间-温度循环具有三个组成部分,即 (i) 加热,(ii) 在特定温度范围内保持(浸泡),以及 (iii) 冷却。个别情况可能不同,但存在某些基本目标。

  零件的加热速率取决于几个因素。这些因素是(i)钢的热导率,(ii)钢的状况,以及(iii)钢的尺寸和横截面。钢的导热性是一个重要因素。具有高导热性的钢比具有低导热性的钢以更快的速度加热。除非钢处于高应力状态,例如通过剧烈冷加工或预先硬化,否则加热速率并不是特别重要。在这种情况下,加热速度要慢。这通常是不切实际的,因为用于加热的炉子可能处于工作温度,将冷钢放入热炉中会导致变形甚至开裂。这种危险可以通过使用预热炉来最小化,该预热炉的温度保持在低于铁碳相图中的 A1 温度(图 1)。然后将预热足够时间的钢转移到处于工作温度的熔炉中。当处理截面厚度变化很大或热导率非常低的钢时,该程序也是有利的。

  


  图1 铁碳相图

  在将钢部分加热到适当的温度后,将其保持在该温度,直到发生所需的内部结构变化。这个过程称为“浸泡”。在适当温度下保持的时间长度称为“浸泡期”。浸泡的目的是确保整个体积内温度的均匀性。显然,薄的部分不需要像厚的部分一样浸泡,但如果同一钢片中存在不同的厚度,加热最厚部分所需的时间均匀地决定了温度的时间。一般来说,25 毫米厚的切片需要浸泡 30 分钟左右。

  钢型材浸透后,恢复至室温,完成热处理工艺。为了冷却金属,可以使用冷却介质。冷却介质可以由气体、液体、固体或这些的组合组成。钢型材的冷却速度取决于钢材和所需的性能。冷却速度取决于冷却介质,因此冷却介质的选择对所需性能有重要影响。钢的微观结构和性能取决于钢的冷却速度,而这反过来又受质量、淬火介质等因素的影响。应该理解,钢截面越厚,较慢的冷却速度与使用的冷却方法无关,除了在诸如感应淬火之类的操作中。

  各种类型的热处理工艺是相似的,因为它们都涉及钢的加热和冷却。然而,这些过程在加热温度和使用的冷却速率以及最终结果方面有所不同。用于钢的热处理的正常工艺是(i)退火,(ii)正火,(iii)硬化,和(iv)回火。

  退火

  退火是一种热处理工艺,包括加热和冷却。该工艺通常用于钢的软化。该术语还指旨在改变机械或物理性能、产生明确的微观结构或去除气体的处理。操作温度和冷却速度取决于退火钢的类型和处理目的。下面描述不同类型的退火工艺。

  完全退火——这是一种软化过程,其中钢型材被加热到奥氏体转变范围以上的温度,并在该温度下保持足够时间后,缓慢冷却至低于转变范围的温度。钢通常允许在炉中缓慢冷却,尽管可以将其移出并在某些冷却介质中冷却。由于转变温度受钢中碳含量的影响,显然高碳钢可以在比低碳钢更低的温度下充分退火。完全退火后产生的亚共析钢的显微组织由铁素体和珠光体组成。共析钢和过共析钢通常在完全退火时部分或完全球化。

  工艺退火——工艺退火也经常被称为去应力退火。该工艺通常用于冷加工低碳钢(最高约 0.25% 的碳)以充分软化钢,以便进行进一步的冷加工。钢通常加热接近但低于 A1 温度。如果钢不需要进一步冷加工,但需要消除内应力,则较低的温度范围就足够了(大约 540 摄氏度)。在这里,冷却速度并不重要。这种退火会引起冷加工铁素体晶粒的再结晶和软化,但通常不会影响相对少量的冷加工珠光体。

  球化

  球化是加热和冷却钢的过程,它在铁素体基体中产生圆形或球状碳化物。它通常通过在略低于 A1 温度的温度下长时间加热来进行,但可以通过交替加热至略高于 A1 温度和冷却至略低于 A1 温度来促进。然而,最后一步包括保持在略低于临界温度 A1 的温度。缓慢冷却到 540 摄氏度左右后,冷却速度并不重要。球化速度受初始结构的影响。珠光体越细,越容易发生球化。马氏体结构非常容易接受球化。这种处理通常用于高碳钢(含碳量为 0.60% 及以上)。这种处理的目的是提高钢的切削加工性。该工艺还用于调节高碳钢以冷拉成线材。

  规范化

  为了实现这些目标中的任何一个或多个,经常对钢进行正火处理,即(i)细化晶粒结构,(ii)获得均匀的结构,(iii)减少残余应力,以及( iv) 改善钢的切削加工性。

  正火是将钢加热到高于 A3 或 Acm 温度,然后在大气中冷却的过程。正火处理的目的是消除任何先前热处理(包括有时由高锻造温度导致的粗晶粒结构)或冷加工的影响。进行正火处理以确保在重新加热以进行硬化或完全退火时奥氏体均匀。最终的结构是珠光体或带有过量铁素体或渗碳体的珠光体,这取决于钢的成分。

  正火后的组织与退火后的组织不同,相同碳含量的钢在亚共析或过共析范围内,过量的铁素体或渗碳体较少,珠光体更细。这些是更快速冷却的结果。由于结构的类型,因此,机械性能,受冷却速度的影响,正火钢中可能会发生很大的变化,因为正火形状的截面厚度不同。

  硬化

  钢可以通过简单的方法来硬化,将钢加热到高于 A3 转变温度的温度,保持足够长的时间以确保实现均匀的温度和碳在奥氏体中的溶解,然后快速冷却钢(淬火)。完全硬化取决于冷却速度如此之快,以至于奥氏体在冷却到 A1 温度时不会分解并保持在相对较低的温度下。当这完成时,奥氏体在冷却到 Ms 温度以下(大约 220 摄氏度)开始转变为马氏体,并在 Mf 温度以下完全转变为马氏体。只有在将钢的温度降低到远低于 S 曲线前端的程度时,才需要快速冷却(图 2)。一旦达到这一点,然后从那时起缓慢冷却,无论是在油中还是在空气中,都有利于避免变形和开裂。特殊处理,如时间淬火和表面回火,旨在带来这些条件。由于马氏体相当脆,钢很少在淬火状态下使用,即未经回火。在完全硬化的低合金钢和普通碳素结构钢中可以达到的最大硬度主要取决于碳含量。


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