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2020OEM機械設計技術研討會云會議
運動控制

機械加工為什么要進行熱處理?

  2020年06月11日  

  名劍干將、莫邪名滿天下。武林至尊,寶刀屠龍,倚天不出,何以爭鋒。
  削鐵如泥的它們,當時到底有多牛,無法考證。但是,根據當時的冶金和金屬處理能力來推斷,它們應該牛不過你家的菜刀。
  接下來,這篇干貨滿滿的科普文章就告訴我們,古代著名冷兵器和今天普通菜刀為什么會有這樣的區別。

  現代生活中能接觸到各種各樣的金屬產品,像鋼橋梁、汽車外殼、菜刀、不銹鋼護欄、鐵鍋子、易拉罐、鐵榔頭等。我們司空見慣地以為它們性能都差不多吧。其實它們性能各異,比如橋梁鋼的強度高;菜刀的硬度;鐵鍋子耐熱性高;易拉罐的延展性高;不銹鋼防腐能力強;汽車外殼的外觀漂亮。

  金屬工件要擁有這些滿足我們不同需求的性能,除了通過選擇合適的合金外,其他幾乎都靠不同的金屬熱處理方法。

01、為什么金屬要進行熱處理

  說到金屬熱處理,就繞不開鐵,它是我們地球上最多的金屬,也是應用最廣的金屬。純鐵是指含碳量低于0.02%鐵金屬,是一種柔韌而延展性較好的銀白色金屬,有著良好的導磁性,主要用于制發電機和電動機的鐵芯。鋼是鐵碳合金的總稱,碳質量百分比在0.02%和2.11%之間,我們平時用到的鐵金屬工件,幾乎都是鋼。含碳量高于2.11%的叫生鐵,它脆而硬,加工性能差,就是稱的稱砣多半是生鐵制成。

  未經熱處理的鐵、鋼和生鐵的強度、剛度和表面硬度、防腐等性能,都很難滿足我們現實生活中不同的需要。于是,人們絞盡腦汁,不停探索,除合理選用材料和各種成形工藝外,就有了熱處理。所以,熱處理是為了使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能,是提高金屬工件性能的有效手段。


02、金屬熱處理是什么

  那什么是熱處理呢?

  金屬熱處理是將金屬或合金工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時間后,又以不同速度,在不同的介質中冷卻,從而改變金屬材料表面或內部的顯微組織結構來控制其性能的一種工藝。
  金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一,與其他加工工藝相比,熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分,而是通過改變工件內部的顯微組織,或改變工件表面的化學成分,賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量。所以,它是機械制造中的特殊工藝過程,是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。它可以保證和提高工件的各種性能 ,如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應力狀態,以利于進行各種冷、熱加工。

  例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵,提高塑性;齒輪采用正確的熱處理工藝,使用壽命可以比不經熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高;另外,價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能,可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼;工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。

  金屬顯微金相組織復雜,而且在不同的條件下金相會不同。金相不同,性能就會不同。而且金相組織可以通過熱處理進行改變和控制。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料,鋼鐵的熱處理也是金屬熱處理的主要內容。另外,鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能,以獲得不同的使用性能。下圖是鋼鐵主要的幾種金相組織(將鋼材取樣,經過打磨、拋光,最后用特定的腐蝕劑腐蝕顯示后,在金相顯微鏡下觀察到的組織)。

03、機械熱處理分類

  金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類,如下圖。

  根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同,每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝,可獲得不同的金相組織,從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬,而且鋼鐵顯微組織也最為復雜,因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

整體熱處理(Bulk Heat Treatment)

  整體熱處理是對工件整體加熱,然后以適當的速度冷卻,以改變其圍觀金相機構從而改變整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

退火(Annealing)
  退火是將工件加熱到適當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然后進行緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,或者是使前道工序產生的內部應力得以釋放,獲得良好的工藝性能和使用性能,或者為進一步淬火作組織準備。以45號鋼為例,退火后的金相為奧氏體,退火后變得太軟,一般45鋼都不做退火處理。

  專業解釋:將亞共析鋼工件加熱至AC3(加熱時鐵素體轉變成奧氏體的終了溫度)以上20-40度,保溫一段時間后,隨爐緩慢冷卻(或埋在砂中或石灰中冷卻)至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火(Normalization)
  正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻,正火的效果同退火相似,只是得到的組織更細,常用于改善材料的切削性能,也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。以45號正火后金相為奧氏體+珠光體。

  專業解釋:將鋼材或鋼件加熱到臨界點AC3(對于亞共析鋼)或Accm(加熱時二次滲碳體溶入奧氏體的終了溫度,對于過共析鋼)以上30℃-50℃,保溫適當時間后,在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理工藝為正火. 正火后生成亞共析鋼為F+S,共析鋼為S,過共析鋼為S+Fe3CⅡ正火與完全退火的主要差別在于冷卻速度快些,目的是讓鋼組織正常化,亦稱常化處理。

淬火(Quenching)
  淬火是將工件加熱保溫后,在水、油或其他無機鹽溶液、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。后鋼件變硬,但同時變脆。以45號鋼為例,很少單單淬火,因為它難得到想要的硬度。

  專業解釋:將鋼奧氏體化后的鋼件以適當的冷卻速度冷卻,使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝。

回火(Tempering)
  回火是為了降低鋼件的脆性,將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行較長時間的保溫,再進行冷卻,這種工藝稱為回火。

  專業解釋:將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1(加熱時珠光體向奧氏體轉變的開始溫度)以下的適當溫度保持一定時間,隨后用符合要求的方法冷卻,以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。

  下面是45號鋼,幾種熱處理的結果分析。

  溫度升到臨界點后,隨著加熱溫度和冷卻方式的不同,又演變出不同的熱處理工藝。不同的冷卻速度會析出不同的金相 。

  V1 會析出鐵素體和珠光體;
  V2會析出鐵素體和索氏體;
  V3會析出鐵素體和屈氏體。
  當冷卻速度達到V4時,析出很少的網狀鐵素體和屈氏體,奧氏體則主要轉變為馬氏體和屈氏體。
  當冷卻速度超過V5時,則全部轉化為馬氏體。

  退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”,它們常常會相互結合,其中的淬火與回火關系密切,常常配合使用。

調質(Quenching-Tempering)
  為了獲得一定的強度和韌性,把淬火和高溫回火結合起來的工藝。以45號鋼為例,淬火后得到馬氏體,接著回火得到索氏體。這樣,就能使材料得到較高的強度, 又有優良的韌性、塑性、切削性能。

時效處理(Aging Treatment)
  把某些合金也稱固溶體(在固態條件下,一種組分內溶解了其他組分而形成的單一、均勻的晶態固體金屬,平時用的不銹鋼就是典型的固溶體)淬火形成過飽和固溶體后,將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間,以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。例如,為消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發生變化,就需要進行時效處理。

形變熱處理(Ausforming)
  把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行,使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法, 也相當于熱鍛造。最常見的例子,就是老式鐵匠鋪打鐵。

真空熱處理(Vacuum Heat-Treatment)
  在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理,它不僅能使工件不氧化,不脫碳,保持處理后工件表面光潔,提高工件的性能。零件經真空熱處理后,畸變小,質量高,且工藝本身操作靈活,無公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊合金熱處理的必要手段,而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應用,特別是工具、模具和精密耦件等,經真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。

表面熱處理(Thermolizing)
  表面熱處理是只加熱工件表層,以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部,使用的熱源須具有高的能量密度,即在單位面積的工件上給予較大的熱能,使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理,常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。例如,一些軸類、齒輪和承受變向負荷的零件,表面具有較高的抗磨損能力,而內部又需要很好的韌性和強度。就可以可通過表面熱處理,使工件整體的性能要求。

化學熱處理(Thermo-Chemical Treatment)
  化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(氣體、液體、固體)中加熱,保溫較長時間,從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后,有時還要進行其他熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

  表面改性技術(surface modified technique)則是采用化學熱處理和物理方法的方法結合。改變材料或工件表面的化學成分或組織結構以提高機器零件或材料性能的一類熱處理技術。它包括化學熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等);表面涂層(低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光重熔復合等薄膜鍍層、物理氣相沉積、化學氣相沉積等)和非金屬涂層技術等。這些用以強化零件或材料表面的技術,賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導電、導磁等各種新的特性。使原來在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質環境下工作的零件,提高可靠性和延長使用壽命。最常見得莫過于家里的不粘鍋。

  除了特殊行業,特殊用途的金屬產品(像齒輪、鑄造件、不粘鍋等),多數機械設計和制造都不需要進行額外的熱處理,因為鋼廠已經替代設計方進行過熱處理了,讓機械用金屬原材料處于熱處理過的狀態。機械設計方只需選用就行。

04、金屬熱處理的工藝方法和發展

  說了這么多金屬熱處理知識,我們來看看世界金屬冶煉和熱處理的發展歷程。人類不斷的探索,從使用石器,到發現金屬,提煉金屬,再到金屬熱處理,走過了漫長的歷程。

  發展到現在,各個熱處理步驟熱退火、正火、回火、淬火、滲碳、滲氮等都有了各自的、先進的熱處理設備。像退火爐、正火爐、回火爐、淬火爐、滲碳爐、滲碳爐、真空爐、硝鹽爐、時效爐、鋁合金熱處理爐等。它們不但能精準地升、降溫,而且測控技術有長足發展,主要表現在溫度測控、氣氛測控和工藝程序控制等,不斷采用新技術。先進的高質量的元器件和儀表陸續開發出來,又大量應用于熱處理設備中。

全自動感應淬火機床

  計算機和網絡技術的應用和控制,幾乎擴展到所有先進熱處理設備領域。借在感應加熱和燃燒控制領域多年的探索和積累的豐富經驗,西門子工控早已成為金屬熱處理領域的標桿。時序脈沖燃燒控制、時序脈沖燃燒控制、膨脹式火焰和可遮斷的點火等控制方式,為燃燒設備制造商提供了可靠的技術和解決方案。而且燃燒設備和感應加熱正是熱處理所需的熱源。另外,西門子還為熱處理工藝提供高品質的元器件,機械、電子以及各種傳感器的廣泛組合應用到熱處理領域。

熱處理控制系統大致構成

  例如西門子840D數控系統是整套感應淬火設備的控制中心, 控制機床的運行和工件的加熱淬火過程。這套系統主要由下列部件組成:

  這套系統具有以下功能和特點:

  1、增加了零件淬火質量保證功能。其一它是在CNC 840D控制系統中配置能量監視器。利用能等于功率與時間積分的基本原理通過顯示器的某一畫面, 顯示能數值是否在預先設定的能里偏差帶范圍內從而判定零件的加熱能量是否在設定范圍內。其二,根據結構復雜零件加熱淬火不同部位、不同功率需要,程序中可設定不同功率,大大拓寬了零件的加熱淬火應用空間。

  2、通過彩色屏幕的不同畫面了解設備運行,如全晶體管電源、電機、淬火液水溫和液位、冷卻系統壓力和溫度,運行中工件加熱狀態如功率大小、能量是否超出偏差帶等狀態或故障信息。運行中一旦發生故障, 數控系統以最快的響應速度采取措施。第一反應是立即阻止程序的繼續執行淬火工藝過程將被停止,并將故障記憶在故障程序中, 避免零件或機床出現損壞,與此同時顯示報警內容。只有在操作者或技術人員排除故障后, 設備方可繼續工作。

  3、配有完整的工件淬火程序的輸入、修改等編輯功能,所有工件程序可以存儲在數控系統中也可以通過數控系統通訊口傳輸到計算機中,便于工藝人員離機進行工件淬火程序的編輯和處理。當機床關機后,最后加工的工件參數和程序自動存儲,以便下次操作調用。

  不同金屬熱處理設備,控制系統功能也會存在諸多不同。但控制系統的總體結構大致相當。

05、金屬熱處理的未來

  金屬熱處理發展的未來會怎樣?難以預計。

  隨著3D 打印的技術的出現和進步,也可能會直接打印出不同和特定金相組織的,滿足不同性能要求的金屬物件。甚至輕易地制造出同一工件上,不同部位具有不同金相組織和不同性能地金屬物件。這也是當下3D 打印的技術瓶頸和3D 打印的發展方向。

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