第五讲 金属热处理知识

金属热处理基本知识（一） 第五讲 金属热处理基本知识 定义：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。  进货称重，表面清洗，检验，分类装炉，设定程序，淬火，检验硬度，一次回火，检验硬度，二次回火，检验硬度，三次回火，检验硬度， 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、钛等及其它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。  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工序之一。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，象石匠的凿子就是用木碳加热，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。我们宁兴购买的真空淬火炉是以石墨发热，低温对流，高温辐射加热。   金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。  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不同，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。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，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。冷却的介质很多，有水、油、硝盐、碱、氮气、氦气、氢气等。 退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。退火的种类大致可分为一下几种： 完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 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。 正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 淬火是将工件加热保温后，在某一淬冷介质中快速冷却。（目的是获得高的硬度） 淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。  整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。  淬火时，最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。 钢回火的目的 ：降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 稳定工件尺寸 ：对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体称作固溶处理；再将其置于适当温度下保持，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等，这样的热处理工艺称为时效处理。象不锈钢SUS304、SUS316等做成弯头需经固溶处理。 在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能。  表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。  化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。 化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温一段时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属（例如镀钛）。  热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。 我们宁兴的热处理是真空热处理，目前我们主要处理H13（4Cr5MoSiV1）及乔治玛林的1.2344ESR模块，都是属于热作模具钢，热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。在美国,热作模具钢分为三种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢,都冠以H字母,分别表示为H10~H19、H21~H26和H42、H43等。其中前两种钢的含碳量在(0.30~0.50)﹪范围,后种钢的含碳量在(0.50~0.70)﹪范围内,三种钢的Cr、W、Mo和V合金元素的总含量在(6~25)﹪范围。钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，按钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线可以知道,H13钢的淬火硬度在55HRC左右。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢,这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。由此可见，钢中的含C量不能太低。美国AISI H13，UNS T20813，ASTM（最新版）的H13钢的含碳量都规定为（0.32~0.45）%，是所有H13钢中含碳量范围最宽的。德国1.2344的含碳量为（0.37~0.43）%，含碳量范围较窄，德国DIN17350中还有X38CrMoV5-1的含碳量为（0.36~0.42）%。日本SKD 61的含碳量为（0.32~0.42）%。我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量为（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分别与SKD61和AISI H13相同。特别要指出的是：北美压铸协会NADCA 207-90标准中对H13钢的含碳量都规定为（0.37~0.42）%。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni这些元素在钢中的含量李工会具体讲解，在这就不多说了。结合我们公司的实际情况，我们的热处理是怎么做的呢？首先，我们的热处理工艺是参考北美压铸协会207-2003的标准制订的，它是目前世界上要求最严格的标准，对升温速度、冷却速度、保温时间、工件的装载、真空炉的回充气淬压力、热电偶的放置等都做了明确的规定。这套工艺经过我们在上海几年的使用实践证明是目前最适合压铸模具的热处理工艺。 下面我具体介绍一下工艺过程： 首先是装炉，我们要考虑工件摆放的位置和方向，这对工件的变形量是有影响的，任何金属都有热涨冷缩的特性，变形是不可避免的，所以我们考虑的是最小的变形量；另外工件应摆放整齐，以保证均匀加热和冷却，考虑工件的几何形状，保证热处理均匀性以防止开裂。 设备：德国易普森10BAR高压气淬真空炉 1030℃±5℃ ⑥ 850℃ ⑤ 6～10KG 氮气 ④ ③ 580℃ 550℃ ② ① 一、淬火： 1​ 第一阶段预热，升温速率为8℃/分钟。 2​ 第二阶段保温，由芯部与表面温差小于90℃，保温结束，开始升温。（说明为何要保温） 3​ 第三阶段预热，升温速率为10℃/分钟。 4​ 第四阶段保温，芯部与表面温差小于40℃，保温结束，开始升温。（同上） 5​ 第五阶段升温，升温速率为12℃/分钟。 第六阶段保温，芯部与表面温差小于14℃，保温30分钟或者炉温到达后保持30+（厚度/50）*10分钟后气淬。淬火压力随工件厚度作调整。（奥氏体化使内部组织充分转变） 奥氏体化状态不但影响晶粒度，而且也影响淬透性，H13钢常规淬火温度在1000-1050之间选择，也有人建议用1050-1070淬火，此时碳化物急速溶解，可为基体提供充分的碳和合金元素，大于1070晶粒度明显长大。淬火温度越高，钢的晶粒度越敏感，粗晶粒度的钢比细晶粒度的钢韧性差。虽然高温强度随淬火温度的升高而增高，但这种强度是在牺牲韧性的条件下得到的，在实际操作中我们不提倡。要得到韧性较好得模具，还是1020-1050之间淬火较好，高压气淬后硬度在HRC55左右，组织为细针和隐形马氏体+未溶碳化物+残留奥氏体，晶粒度为9-10级。淬火温度如果过低，碳化物溶解少，基体中碳和合金元素溶解不足，淬火后硬度偏低，高温性能差。 模具淬火后必需立即回火，促使残奥转变，消除淬火内应力。回火过程中碳化物的析出和残奥的转变，钢材出现二次硬化，二次硬化峰值回火温度为500度，此时韧性最低，超出500度回火温度升高，硬度迅速下降，冲击韧性值上升。 二、回火： 第一次回火580℃，处理时间1/3*（二小时+厚度/25） 第二次回火620℃ 43～45HRC 处理时间2/3（二小时+厚度/25） 600℃ 47～49HRC 580℃ 51～53HRC 第三次回火580℃ 防止产生第二类回火脆性 处理时间二小时+厚度/25 注：回火时仍于350℃左右均温（保持时间25mm/30分钟），然后再升温。 简单介绍铝合金压铸模具的现场使用情况及风险。