实验四：金属材料热处理技术
指导老师：崔国栋 地点：热处理实验室 时间：2019.5.30
一、金属普通热处理工艺
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
根据加热与冷却的不同，热处理可按下面分类：
1.1制备工艺路线
淬火—>自检—>回火—>较直—>去应力退火—>检查
1.2热处理工艺
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。
加热是热处理的重要步骤之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间或保温时间很短，而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如淬硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
1.2.1调质
调质是淬火加高温回火的双重热处理。高温回火是指在500~650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体。回火索氏体是马氏体于回火时形成的，在光学金相显微镜下放大500~600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
1.3回火
回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。
回火决定了钢在使用状态的组织和性能。回火的目的是为了稳定组织，消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，满足各种工件不同的性能要求。
1.4去应力退火
将工件加热至较低温度，保温一定时间后冷却，使工件发生回复，从而消除残余内应力的工艺称为去应力退火。去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。在实际生产中，去应力退火工艺的应用要比上述定义广泛得多。热锻轧、铸造、各种冷变形加工、切削或切割、焊接、热处理，甚至机器零部件装配后，在不改变组织状态、保留冷作、热作或表面硬化的条件下，对钢材或机器零部件进行较低温度的加热，以去除（全部或部分的）内应力，减小变形、开裂倾向的工艺，都可称为去应力退火。由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的差异，去应力退火温度范围很宽。习惯上，把较高温度下的去应力处理叫作去应力退火，而把较低温度下的这种处理称为去应力回火，其实质都是一样的。
二、金属表面热处理工艺
表面淬火是一种不改变钢的化学成分，但改变表层组织的一种局部热处理方法。有许多零件是在弯曲，扭曲等受力复杂的条件下工作的。这时候零件表层受到比心部高的多的应力作用，而且表面还要不断地被磨损，因此必须使工件表层得到强化，使它具有较高的强度，硬度，耐磨性及疲劳极限，而心部为了能承受冲击载荷的作用，仍应保持足够的塑性与韧性，通过表面淬火和表面化学热处理可以达到这些要求。
2.1表面淬火方法：快速加热使钢的表面奥氏体化，不等热量传至中心，立即淬火冷却，这样我们就可获得表层硬而耐磨的M组织，心部仍保持原来塑性，韧性较好的退火、正火、或调质状态的组织。
2.2感应加热表面淬火
感应加热频率的选用
2.2.1.高频感应加热频率为200~300KHZ，淬硬层深度为0.5～2mm，主要用于淬硬层较薄的中，小型零件。如：小模数齿轮，中，小型轴的表面淬火。
2.2.2中频感应加热频率为500～10000HZ，淬硬层深度2～8mm，主要用于处理淬硬层要求较深的零件。如：直径较大的轴类和模数较大的齿轮等。
2.2.3.工频感应加热频率50HZ，淬硬层深度可达10～15mm，要求淬硬层较深的大直径零件，如轧辊，火车车轮。
2.2.4.超频感应加热频率20～40HZ，如：中，小模数的齿轮，花键轴，链轮。
2.3化学热处理
化学热处理是把钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。特点：与其他热处理相比较，不仅它的组织发生了变化，而且化学成分也发生了变化。
3.盐雾试验
盐雾试验的目的是为了考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀质量，而盐雾试验结果判定正是对产品质量的宣判，它的判定结果是否正确合理，是正确衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键。盐雾试验结果的判定方法有：评级判定法、称重判定法、腐蚀物出现判定法、腐蚀数据统计分析法。评级判定法是把腐蚀面积与总面积之比的百分数按一定的方法划分成几个级别，以某一个级别作为合格判定依据，它适合平板样品进行评价。
称重判定法是通过对腐蚀试验前后样品的重量进行称重的方法，计算出受腐蚀损失的重量来对样品耐腐蚀质量进行评判，它特别适用于对某种金属耐腐蚀质量进行考核。
腐蚀物出现判定法是一种定性的判定法，它以盐雾腐蚀试验后，产品是否产生腐蚀现象来对样品进行判定，一般产品标准中大多采用此方法。
腐蚀数据统计分析方法提供了设计腐蚀试验、分析腐蚀数据、确定腐蚀数据的置信度的方法，它主要用于分析、统计腐蚀情况，而不是具体用于某一具体产品的质量判定。
4．盐浴热处理
一、用途：各种钢件淬火加热用，保证钢件加热时不氧化、脱碳。
二、盐的成份：
1、中温盐浴炉：KCI50%+NaCI50%熔点：670℃，使用温度：700-1000℃；
2、高温盐浴炉：BCI100%熔点：960℃，使用温度：1000-1350℃。
三、盐浴炉启动方法：
1、检查变压器、控制柜、仪表、水冷系统是否正常；
2、将辅助电极固定在盐浴炉电极上，两电极固定牢固，中间不允许有铁锈存在，以免
接触不良；
3、开始启动可先用低档，盐化开后把辅助电极取出后再加温；
4、要定期检查和更换辅助电极，以免烧断。
四、盐浴炉脱氧：
1、中温盐浴炉脱氧剂：
（1）硼砂（NaB4O7）--无水的；
（2）氯化铵（NH4CI）50%+氯化钡（BCI）45%+糖浆5%；混合后经150-200℃烘干，中温盐浴炉效果良好。
2、高温盐浴炉脱氧剂：
Ti二份+SiO2一份
3、加入脱氧剂的温度：中温850-900℃，高温1250-1300℃；
4、加入数量：中温0.3-0.6%，高温0.7-1.0%；
5、每次开炉脱氧一次，夏天每班2-3次；
6、脱氧后，高温炉降至1150-1200℃，中温炉降至800-820℃，用铁勺捞出沉渣。
六、工件加热注意事项：
1、盐炉到温后，工件入炉，根据炉温变化情况计算加热时间；
2、前批工件未出炉，次批不能入，以免影响炉温变化；
3、工件不得与电极、炉壁、炉底接触，工件要距电极20mm以上，防止工件过烧。
