1、金屬材料結(jié)課論文熱處理新技術(shù)學(xué)生姓名班級熱動-2班成績?nèi)握n教師開課單位控制與機(jī)械工程學(xué)院2014年1月2日熱處理新技術(shù)摘 要：熱處理是保證產(chǎn)品或零件使用性能的重要工序。如果熱處理不當(dāng)，就會 產(chǎn)生各種各樣的熱處理缺陷，使產(chǎn)品或零件達(dá)不到預(yù)期的使用性能，產(chǎn)生不合格 品或廢品。熱處理前由于設(shè)計(jì)不良、原材料或毛坯缺陷，熱處理中因工藝不當(dāng)、 操作不當(dāng)、設(shè)備和環(huán)境條件不合適，以及熱處理后因后續(xù)加工工序不當(dāng)或者使用 不當(dāng)，都可能產(chǎn)生與熱處理有聯(lián)系的缺陷，所以需要更多的新技術(shù)來彌補(bǔ)。關(guān)鍵詞：熱處理；工藝；缺陷；分析；新技術(shù)現(xiàn)代熱處理新技術(shù)熱處理技術(shù)是金屬材料在經(jīng)過多道加工過程后為改善其機(jī)械性質(zhì)所作的一種技 術(shù)

2、。一個不當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚瑢⑹巩a(chǎn)品在制程中使前面所作的加工處理全成為泡影， 無形間降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)力及質(zhì)量并且提高制造的成本，相對地也降低產(chǎn)業(yè)的競 爭力，有鑒以此我們將介紹幾種現(xiàn)代熱處理新技術(shù)供各產(chǎn)業(yè)參考應(yīng)用。1、真空熱處理技術(shù)方法：真空熱處理將為金屬工件置于已抽真空的容器中，然后依所需之目的進(jìn) 行各種反復(fù)加熱、冷卻操作的一種技術(shù)。用途或優(yōu)點(diǎn)：工件表面為光輝面、工件 變形小、工件不會被氧化及脫碳或滲碳、無腐蝕和公害問題、質(zhì)量穩(wěn)定等，適合 于工具或模具之熱處理，為未來熱處理技術(shù)的主流。2、零下處理技術(shù)方法：零下處理是將金屬工件置于零度低溫的環(huán)境中，迫使金屬工件改變材料性 能的一種熱處理法，傳統(tǒng)的零下

3、處理通常是在鋼鐵材料作淬火處理后施行，以有 效降低殘留奧斯田鐵含量，可以使鋼鐵材料尺寸穩(wěn)定性及提高耐磨耗特性，尤其 是高碳含量的工具鋼材，效果最好。用途或優(yōu)點(diǎn)：零下處理的應(yīng)用將應(yīng)用到超硬 合金及銅合金等非鐵類金屬，以改善工件內(nèi)部應(yīng)用殘留的問題，以提升工件的壽 命為原來的兩倍以上。3、離子氮化技術(shù)方法：先將金屬工件置于真空容器中，再通入氮?dú)?，將容器本身?dāng)作陽極、工件 當(dāng)作陰極，然后通以高壓直流電，強(qiáng)迫將氮?dú)饨怆x成正電的氮離子，并以極高的 速度沖向陰極金屬工件，使得金屬工件表面得以瞬間氮化的一種表面熱處理技 術(shù)。用途或優(yōu)點(diǎn)：有效提高金屬材料之耐磨耗、耐疲勞、耐腐蝕等性質(zhì)，另外它 也具有工件變形量小

4、、無公害及省能源的特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于各種鋼鐵工件及非鐵 金屬工件之氮化處理。4、低壓滲氮技術(shù)方法：低壓滲氮技術(shù)系在大約300mba的作用壓力下，打入NH3, N2O及N2等 進(jìn)行的氣體滲氮，亦可再加CH4進(jìn)行氣體滲氮及碳化。處理溫度約在400600C 左右。低壓滲氮及滲氮碳化可使工件表面得到較高硬度的滲氮層，增加工件表面 壓縮應(yīng)力，提高其耐磨耗性及耐疲勞性；滲氮速度快，滲氮層組織可選擇為純擴(kuò) 散層或?yàn)橹旅馨讓?，可滲氮深孔狹縫，工件表面潔凈，量產(chǎn)性佳，省人工、省氣 體能源，作業(yè)環(huán)境優(yōu)良，應(yīng)用日益廣泛。用途或優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)榈蛪簼B氮對于復(fù)雜形 狀、深孔的工件都可得均勻的硬化層，所以對于壓鑄模具、鍛造模具、

5、鋁擠型模 以及滾輪、牙板、噴嘴、引擎汽缸等耐磨耗、耐疲勞工件十分適用。5、鹽浴碳氮共滲技術(shù)方法：鹽浴碳氮共滲技術(shù)是將工件置于軟氮化鹽浴中進(jìn)行處理，在工件表面形成 一層耐磨耗之?dāng)U散氮化層后，再將工件迅速移置于氧化鹽中進(jìn)行氧化處理，讓工 件外表面再形成一層耐磨蝕之氧化層。用途或優(yōu)點(diǎn)：使用鹽浴操作簡單而容易， 工件變形量小，并且能夠有效提高工件之耐磨耗、耐疲勞、耐腐蝕等機(jī)械性質(zhì)， 可應(yīng)用于刀具及各種機(jī)械零組件。6、物理蒸鍍技術(shù)方法：物理蒸鍍法技術(shù)是在高真空中基材表面被覆一層陶瓷薄膜，這層薄膜硬度 比碳化鎢合金還硬，具有高抗蝕性、耐磨性、附著力及低磨擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。目前 有陰極電孤電漿及非平衡磁控濺射兩

6、種物理蒸鍍系統(tǒng)，已開發(fā)應(yīng)用的有TiN、 TiCN、CrN、CrCN、TiAIN及非晶形碳膜等。用途或優(yōu)點(diǎn)：物理蒸鍍溫度大概 在100500C，比高速鋼、模具鋼回火溫度低，因此工件不會發(fā)生軟化及變形， 可應(yīng)用于超硬合金、高速鋼、模具鋼、不銹鋼、鈦合金及鋁合金等產(chǎn)品上。當(dāng)?shù)?具蒸鍍陶瓷膜可降低刃口熔著現(xiàn)象，減緩刀口磨損率，提高刀具使用壽命27 倍；模具經(jīng)由蒸鍍處理可增加離模性、耐磨耗性、降低黏著磨損及燒著現(xiàn)象，能 有效提高模具壽命數(shù)倍，不但降低生產(chǎn)成本，而且可以增加產(chǎn)品的競爭力。7、電漿化學(xué)蒸鍍技術(shù)方法：應(yīng)用電漿CVD蒸TiNTiCN、TiC等硬質(zhì)膜，具有 CVD之高附著性及PVD之低溫處理特性等

7、優(yōu)點(diǎn)，可降低處理溫度(約500C)， 有效防止工件變形，鍍膜均勻附著性高，對于復(fù)雜形狀之刀具及模具，被覆之效 果最佳。用途或優(yōu)點(diǎn)：可將蒸鍍硬質(zhì)膜于金屬工件表面，如成形工具、刀具及模 具等及需要提高材料之耐磨耗性/耐粘著性等工件，可以增加工件的壽命，提升 加工速度，增加產(chǎn)量，節(jié)省成本。8、 TD碳化物被覆技術(shù)一一方法：T處理(Toyota Diffusion Process)是在熔融硼砂浴中添加合金元素，使浸 漬之鋼料表面生成碳物之被覆處理法。其主要特色為被覆層的硬度極高， 耐磨耗性優(yōu)良，具PVD或CVD處理者之同級硬度，但設(shè)備簡單、操作方便。用途或優(yōu)點(diǎn)：TD處理所得之碳化釩(VC)硬度達(dá)HV2

8、200 以上且與母材結(jié)合力強(qiáng)，不易剝離，因此可應(yīng)用于壓鑄模、切削剪斷工具、模具、 刀具或其它需耐磨之機(jī)械零件上，如板金沖模、冷鍛模、熱鍛模、管件成型工具、 塑料模、滾子、機(jī)械零件等。熱處理缺陷一般按缺陷性質(zhì)分類，主要包括熱處理裂紋、變形、殘余應(yīng)力、組織 不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷七大類。缺陷中最常見的是熱處理變形， 包括尺寸變化和形狀畸變；最危險的是裂紋，包括淬火裂紋、延遲裂紋、冷處理 裂紋、回火裂紋、時效裂紋、磨削裂紋和電鍍裂紋等。還有其他處理方法： 均質(zhì)退火處理簡稱均質(zhì)化處理(Homogenization)，系利用在高溫進(jìn)行長時間加熱，使內(nèi)部的 化學(xué)成分充分?jǐn)U散，因此又稱為擴(kuò)散退火

9、。加熱溫度會因鋼材種類有所差異， 大鋼錠通常在1200 C至1300 C之間進(jìn)行均質(zhì)化處理，高碳鋼在1100C1200 C之間，而一般鍛造或軋延之鋼材則在1000C至1200C間進(jìn)行此項(xiàng)熱處理。完全退火處理完全退火處理系將亞共析鋼加熱至Ac3溫度以上3050C、過 共析鋼加熱至Ac1溫度以上50C左右的溫度范圍，在該溫度保持足夠時間，使 成為沃斯田體單相組織(亞共析鋼)或沃斯田體加上雪明碳體混合組織后，在進(jìn) 行爐冷使鋼材軟化，以得到鋼材最佳之延展性及微細(xì)晶粒組織。球化退火處理球化退火主要的目的，是希望藉由熱處理使鋼鐵材料內(nèi)部的層狀或網(wǎng)狀碳化物凝 聚成為球狀，使改善鋼材之切削性能及加工塑性，特別

10、是高碳的工具鋼更是需要 此種退火處理。常見的球化退火處理包括：（1）在鋼材A1溫度的上方、下方反復(fù)加熱、冷卻數(shù)次，使A1變態(tài)所析出的雪 明碳鐵，繼續(xù)附著成長在上述球化的碳化物上；（2）加熱至鋼材A3或Acm溫度上方，始碳化物完全固溶于沃斯田體后急冷， 再依上述方法進(jìn)行球化處理。使碳化物球化，尚可增加鋼材的淬火后韌性、防止淬裂，亦可改善鋼材的淬火回 火后機(jī)械性質(zhì)、提高鋼材的使用壽命。軟化退火處理軟化退火熱處理的熱處理程序是將工件加熱到600C至650C 范圍內(nèi)（A1溫度下方），維持一段時間之后空冷，其主要目的在于使以加工硬化 的工件再度軟化、回復(fù)原先之韌性，以便能再進(jìn)一步加工。此種熱處理方法常在

11、 冷加工過程反復(fù)實(shí)施，故又稱之為制程退火。大部分金屬在冷加工后，材料強(qiáng)度、 硬度會隨著加工量漸增而變大，也因此導(dǎo)致材料延性降低、材質(zhì)變脆，若需要再 進(jìn)一步加工時，須先經(jīng)軟化退火熱處理才能繼續(xù)加工。弛力退火處理弛力退火熱處理主要的目的，在于清除因鍛造、鑄造、機(jī)械加工或焊接所產(chǎn)生的 殘留應(yīng)力，這種殘存應(yīng)力常導(dǎo)致工件強(qiáng)度降低、經(jīng)久變形，并對材料韌性、延展 性有不良影響，因此弛力退火熱處理對于尺寸經(jīng)度要求嚴(yán)格的工件、有安全顧慮 的機(jī)械構(gòu)件事非常重要的。弛力退火的熱處理程序系將工件加熱到A1點(diǎn)以下的 適當(dāng)溫度，保持一段時間（不需像軟化退火熱處理那么久）后，徐緩冷卻至室溫。 特別需要注意的是，加熱時的速度

12、要緩慢，尤其是大型對象或形狀復(fù)雜的工件更 要特別注意，否則弛力退火的成效會大打折扣。正常化處理正?；療崽幚碛袃蓚€重要的功用，一是使工件結(jié)晶粒微細(xì)化而改善材料機(jī)械性 質(zhì)；另一個目的是調(diào)節(jié)軋延或鑄造組織中碳化物的大小或分布狀態(tài)，以利后續(xù)熱 處理時碳化物容易固溶于材質(zhì)，以便提升材料切削性，并使材質(zhì)均勻化。正?；?熱處理的熱處理程序，系將工件加熱至A3 （亞共析鋼）或Acm （過共析鋼）點(diǎn) 溫度以上30C至60C的高溫（此即為正?；瘻囟龋┍３忠欢螘r間，材質(zhì)成為均 勻沃斯田體后，靜置于空氣中使之冷卻。正?；瘯r間的估算，可以每25mm厚度 持溫30分鐘來估算需持溫時間。正?；療崽幚碛挚煞譃槎握；?、恒溫

13、正常 化及二次正?；榷喾N改良式正?；療崽幚?。淬火處理淬火處理的主要目的是將鋼材急速冷卻以便獲得硬度極大的麻田散體組織。鋼的 淬火處理有三個要件，缺一不可，分別是：（1）在沃斯田體區(qū)域內(nèi)加熱一段時間（即沃斯田體化）；（2）冷卻時要能避開Ar（波來體）變態(tài)；及（3）使鋼材產(chǎn)生麻田散體或變韌體而硬化。1.1、退火與正火常見缺陷：軟化不充分、退火脆性、滲碳體石墨化、氧化、脫 碳、過熱、過燒、魏氏組織、網(wǎng)狀碳化物等；1.2、淬火常見缺陷：吹火裂紋、淬火表形、硬化不充分、軟點(diǎn)、氧化、脫碳、 過熱、過燒、放置裂紋、放置變形等；1.3、回火常見缺陷：回火裂紋、回火脆性、回火變形、殘余應(yīng)力過大等；1.4、滲碳

14、與碳氮共滲常見缺陷：滲碳過度、滲碳不均勻、反常組織、內(nèi)氧化、 剝落、表面硬度不足、表面碳化物不合格、心部組織不合格、滲碳層深度不足、 心部硬度不合格、表面硬度不足、表面脫碳等；1.5、滲氮與氮碳共滲常見缺陷：白層、剝落、滲層硬度低、滲層深度不足、滲層網(wǎng)狀或脈沖組織、變形、心部硬度低、滲層脆性、耐蝕性差、表面氧化等；1.6、滲金屬常見缺陷：滲層過厚或不足、漏滲、滲層損傷、氧化、腐蝕、滲層 分層、鼓包等；2、主要熱處理缺陷產(chǎn)生原因分析2.1、產(chǎn)生熱處理裂紋原因分析熱處理裂紋依據(jù)裂紋擴(kuò)展的程度不同，分為阻斷裂紋和可發(fā)展裂紋。阻斷裂 紋尺寸一般小于臨界裂紋長度，因?yàn)閼?yīng)力場的變化及裂紋擴(kuò)展阻力的變化等復(fù)

15、雜 因素的綜合影響，使得裂紋難以繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋存在在工件上，并未形成宏觀的 斷裂；可發(fā)展裂紋尺寸大于臨界裂紋長度，造成宏觀的完整破壞，呈現(xiàn)脆性斷裂。 斷裂可分為兩種類型，脆性斷裂和韌性斷裂。絕大多數(shù)熱處理裂紋的斷口屬于脆 性斷裂，斷口具有灰亮色的金屬光澤，且沒有宏觀塑性變形。2.2、產(chǎn)生熱處理變形原因分析工件的熱處理變形，主要是由于熱處理應(yīng)力造成的。其次，工件的結(jié)構(gòu)形狀、 原材料質(zhì)量、熱處理前的加工狀態(tài)、工件的自重以及工件在爐中加熱和冷卻時的 支承或夾持不當(dāng)?shù)纫蛩匾材芤鹱冃?。熱處理變形分為尺寸變化（體積變形）和 形狀畸變兩種形式。2.3、產(chǎn)生熱處理殘余應(yīng)力原因分析工件在加熱和冷卻過程中，由于

16、熱脹冷縮和相變時前后相比體積差異而發(fā)生 體積變化，由于工件表層和心部存在溫度差和相變時間差以及相變量的不同，致 使工件表層和心部的體積變化不能同步進(jìn)行，因而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。按照內(nèi)應(yīng)力的成 因可將其分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。熱應(yīng)力是指由表層心部的溫度差引起的熱脹冷 縮不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，組織應(yīng)力是由相變引起的比體積變化，又稱相變應(yīng)力。殘余應(yīng)力的大小取決于工件的成分、淬透性、形狀尺寸和熱處理工藝。隨著 工件尺寸增大，殘余應(yīng)力向熱應(yīng)力型轉(zhuǎn)化；形狀復(fù)雜或尺寸突變時，在尺寸突變 部位殘余應(yīng)力增大；淬透時冷卻越快，熱應(yīng)力越大；未淬透時由組織應(yīng)力和熱應(yīng) 力綜合作用。表面淬火件的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為表層為壓應(yīng)力，心部為拉

17、應(yīng)力；經(jīng)滲 碳、碳氮共滲的零件，表層產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力、心部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。2.4、產(chǎn)生熱處理力學(xué)性能不合格原因分析熱處理力學(xué)性能不合格分為硬度缺陷、拉伸性能和疲勞強(qiáng)度不合格、耐腐蝕 性能不足及持久蠕變性能不合格等。其原意一般是因?yàn)椴牧系墓逃腥毕?、熱處?的工藝參數(shù)不合理、加熱和冷卻方式不當(dāng)、熱處理工藝執(zhí)行不嚴(yán)等因素造成的。硬度缺陷主要表現(xiàn)為硬度不足、硬度不均等；淬火工件硬度偏低一般是由于 淬火加熱不足、淬火冷卻速度不夠、表面脫碳、鋼材淬透性不夠、淬火后殘余奧 氏體過多或回火不足等因素造成的；硬度不均通常是由于淬火加熱不均勻或淬火 冷卻不均勻所引起的。淬火和回火作為最后熱處理工藝，對工件的性能

18、影響很大， 決定著工件的內(nèi)在質(zhì)量，淬火不充分或淬透層深度不足，會導(dǎo)致工件的拉伸性能 和疲勞強(qiáng)度下降。2.5、產(chǎn)生熱處理脆性原因分析工件斷裂前不發(fā)生或只有少量宏觀塑性變形，稱為脆性斷裂，與熱處理有關(guān) 的常見的材料脆性有回火脆性、低溫脆性、氫脆性、滲氮層脆性等?；鼗鸢l(fā)生的脆性分為兩類，第一類回火脆性發(fā)生在淬火馬氏體于 200 - 400C回火區(qū)間，在碳鋼和合金鋼中都會出現(xiàn)，它與回火后的冷卻速度無關(guān)，也 叫低溫回火脆性（不可逆回火脆性、回火馬氏體脆性）。第二類回火脆性是發(fā)生 在某些合金鋼中，在高于600C回火，在450-550C間緩冷，或直接在450-550 間回火發(fā)生的脆性（可逆回火脆性、高溫回火脆性或回火脆性）。這類脆性可采 取重新加熱至600C以上，隨后快冷予以消除。工件隨著溫度降低，在某一溫度范圍內(nèi)，缺口沖擊試樣的斷裂形式由韌性斷 裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，通常用一個特定的轉(zhuǎn)變