金屬材料熱處理新工藝
發布者：yflwzj 發布時間：2012-05-09 08:45:44
金屬材料熱處理新工藝
金屬材料熱處理發展的主要趨勢是，不斷改革加熱和冷卻技術，發展真空熱處理，可控氣氛熱處理和形變熱處理等，以及創造新的表面熱處理工藝。
新工藝和技術的發展，主要是：
⑴為了提高零件的強度、韌性；增強零件的抗疲勞和耐磨損能力；
⑵減輕加熱過程中的氧化和脫碳；
⑶減少熱處理過程中零件的變形；
⑷節約能源，降低成本，提高經濟效益；
⑸減少或防止環境污染等。
熱處理的新工藝很多，這里只簡介可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱處理，以及表面氣相沉積技術。
㈠可控氣氛熱處理
在爐氣成分可以控制的爐內進行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。爐氣分滲碳性、還原性和中性氣氛等。僅用于防止工件表面化學反應的可控氣氛稱為保護氣氛。
可控氣氛熱處理的應用有一系列技術經濟優點：能減少和避免鋼件在加熱過程中氧化和脫碳，節約鋼材，提高工件質量；可實現光亮熱處理，保證工件的尺寸精度；可進行控制表面碳濃度的滲碳和氰化；可使已脫碳的工件表面復碳；可進行穿透滲碳處理，例如，某些形狀復雜且要求高彈性或高強度的工件，用高碳鋼制造加工困難，可用低碳鋼沖壓成形，然后進行穿透滲碳，以代替高碳鋼。這樣可以大大革新加工程序。
⒈吸熱式氣氛 燃料氣（天然氣、城市煤氣、丙烷、丁烷）按一定比例與空氣混合后，通入發生器進行加熱，在觸媒的作用下，經吸熱而制成的氣體稱為吸熱式氣氛，吸熱式氣氛主要用作滲碳氣氛和高碳鋼的保護氣氛。。
⒉放熱式氣氛 燃料氣（天然氣、乙烷、丙烷等）按一定比例與空氣混合后，靠自身的燃燒反應而制成的氣體，由于反應時放出大量的熱量，故稱為放熱式氣氛。它是所有制備氣氛中最便宜的一種，主要用于防止加熱時的氧化，如低碳鋼的光亮退火，中碳鋼小件的光亮淬火等。
⒊放熱-吸熱式氣氛 這種氣氛用放熱和吸熱兩種方式綜合制成。第一步，先將氣體燃料（如天然氣等）和空氣混合，在燃燒室中進行放熱式燃燒；第二步，將燃燒室中的燃燒產物再次與少量燃料混合，在裝有催化劑的反應罐內進行吸熱反應，產生的氣體經冷卻即為放熱-吸熱式氣氛。它可用于吸熱式和放熱式氣氛原來使用的各個方面。也可做為滲碳和碳氮共滲的載流氣體。此種氣氛含氮量低，因而可減輕氫脆傾向。
⒋滴注式氣氛 用液體有機化合物（如甲醇、乙醇、丙酮、甲酰胺、三乙醇胺等）混合滴入或與空氣混合后噴入熱處理爐內所得到的氣氛稱為滴注式氣氛。它主要用于滲碳、碳氮共滲、軟氮化、保護氣氛淬火和退火等。
㈡真空熱處理
在真空中進行的熱處理稱為真空熱處理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學熱處理等。
⒈真空熱處理的效果
⑴可以減少變形—在真空中加熱，升溫速度很慢，工件截面溫差很小，所以處理時變形較小。
⑵可以減少和防止氧化—真空中氧的分壓很低，金屬的氧化受到抑制。實踐證明，在13.3Pa 的真空度下，金屬的氧化速度極慢。在1.33 × 10 -3Pa的真空度下。可以實現無氧化加熱。
⑶可以凈化表面—在高真空中，表面的氧化物發生分解，工件可得到光亮的表面。另外，工件表面的油污屬于碳氫氧的化合物，在真空中加熱時分解為水蒸氣、二氧化碳等氣體，被真空泵排出。潔凈光亮的表面不僅美觀，而且對提高耐磨性、疲勞強度等都有明顯的效果。
⑷脫氣作用—溶解在金屬中的氣體。在真空中長時間加熱時，會不斷逸出并由真空泵排出。真空熱處理的去氣作用，有利于改善鋼的韌性，提高工件的使用壽命。
除了上述優點以外，真空熱處理還可以減少或省去清洗和磨削加工工序，改善勞動條件，實現自動控制。
⒉真空熱處理的應用
真空技術的發展，以及對重要零件的更高性能和使用可靠性的要求，使真空熱處理得到了越來越廣泛的應用。
⑴真空退火
真空退火有避免氧化、脫碳和去氣、脫脂的作用，除了鋼、銅及其合金外，還可用于處理一些與氣體親和力較強的金屬，如鈦、鉭、鈮、鋯等。
⑵真空淬火
真空淬火已大量用于各種滲碳鋼、合金工具鋼、高速鋼和不銹鋼的淬火，以及各種時效合金、硬磁合金的固溶處理。設備也由周期作業式的密閉淬火爐發展到了連續作業式的大型淬火爐。
⑶真空滲碳
真空滲碳也叫低壓滲碳，是近年來在高溫滲碳和真空淬火的基礎上發展起來的一項新工藝。與普通滲碳相比有許多優點：可顯著縮短滲碳周期，減少滲碳氣體的消耗，能精確控制工件表層的碳濃度、濃度梯度和有效滲碳層深度。不形成反常組織和發生晶間氧化，工件表面光亮，基本上不造成環境污染，并可顯著改善勞動條件，等等。
㈢形變熱處理
形變強化和熱處理強化都是金屬及合金最基本的強化方法。將塑性變形和熱處理有機結合起來，以提高材料機械性能的復合熱處理工藝，稱為形變熱處理。在金屬同時受到形變和相變時，奧氏體晶粒細化，位借密度增高，晶界發生畸變，碳化物彌散效果增強，從而可獲得單一強化方法不可能達到的綜合強韌化效果。根據形變與相變的關系，形變熱處理可分為三種基本類型：在相變前進行形變；在相變中進行形變；在相變后進行形變。不管哪一種方法，都能獲得形變強化與相變強化的綜合效果。
⒈高溫形變熱處理
高溫形變熱處理是將鋼加熱到穩定的奧氏體區域，進行塑性變形，然后立即進行淬火和回火。這種工藝的要點是，在穩定的奧氏體狀態下形變時，為了保留形變強化的效果，應盡可能避免發生奧氏體再結晶的軟化過程，所以，形變后應立即快速冷卻。
高溫形變熱處理和普通熱處理相比，不但能提高鋼的強度。而且能顯著提高鋼的塑性和韌性。使鋼的綜合機械性能得到明顯的改善。另外，由于鋼件表面有較大的殘余壓應力，還可使疲勞強度顯著提高。
高溫形變熱處理對鋼材無特殊要求，可將鍛造和軋制同熱處理結合起來，省去重新加熱過程，從而節約能源，減少材料的氧化、脫碳和變形，且不要求大功率設備，生產上容易實現，所以這種處理得到了較快的發展。
⒉中溫形變熱處理
中溫形變熱處理是將鋼加熱到穩定的奧氏體狀態后，迅速冷卻到過冷奧氏體的亞穩區進行塑性變形，然后淬火和回火。具體工藝參數根據鋼種和性能要求的不同有所差異。這種方法和普通熱處理相比，強化效果非常顯著。淬透性好的中碳合金鋼經中溫形變熱處理后，可大大提高強度，而不降低塑性，甚至略有提高。此外，還可提高鋼的回火穩定性和疲勞強度。
中溫形變熱處理要求鋼有高的淬透性（即過冷奧氏體的亞穩區較大，較寬），以使在形變時不產生非馬氏體轉變。
中溫形變熱處理的形變溫度較低，因此形變速度要快，壓力加工設備的功率要大。這種方法的強化效果雖好，但因工藝實施較難，目前僅用于強度要求很高的彈簧鋼絲、軸承等小型零件及刀具等。
㈣表面氣相沉積
氣相沉積主要分化學氣相沉積（CVD ）和物理氣相沉積（ PVD ）兩種。
化學氣相沉積是使揮發性化合物氣體發生分解或化學反應，并在工件上沉積成膜的方法。利用多種化學反應，可得到不同的金屬、非金屬或化合物鍍層。
物理氣相沉積包括真空蒸發、濺射、離子鍍三種方法，因為它們都是在真空條件下進行，因此也稱為真空鍍膜法。
氣相沉積鍍層的特點是附著力強，均勻，快速，質量好，公害小，選材廣，可以得到全包覆的鍍層。在滿足現代技術提出的越來越高的要求方面，這種方法比常規方法有許多優越性。它能制備各種耐磨膜（如TiN 、TiC 、W C 2 、2 3 Al O 等）、耐蝕膜（如Al 、Cr 、Ni 及某些多層金屬等）、潤滑膜（如2 MoS 、2 WS 、石墨、2 CaF 等）、磁性膜、光學膜，以及其它功能性薄膜。因此在機械制造、航天、原子能、電器、輕工等部門得到了廣泛的應用。
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