低温处理技术的进展.pdf

定向地对工件表面施加非常 高的能量 密度?少?,从而获得 很 快的加热 速 度?甚至能达到?”亡?,这样在极短的时间内?一?,将工件欲处理区的表层加热到相变温度以上或熔 融状态,使之发生物理和化学变化,然后靠工件 自身冷却 实现表面硬化或凝固,达到表面改性的目的。高能率热处理在减小工 件变形、获得特殊组织性能和表面状态方面具有很大 的优越性,可以提高工件表面的耐磨性、耐蚀性,从而延长其使用寿命。高能率热处理近年来发展很快,其中激光热处理和离子注入表面改性 技术在国外已进入生产阶段。由于高能率热处理的设备 费用昂贵等原因,目前我国尚未大量应用,但其发展前 景广阔,今后将成为很活跃、很有前途的热处理工艺。?新的加热方式在热处理时实现少无氧化加热,是减少金属?氧化损耗,保证工件表面质量的必备条件,而采用真空和可控气氛则是实现少无氧化加热的主要途径。在表面加热方面,感应加热具有加热速 度快、工件表面氧化脱碳少、节省能源、公害小、效率高等优 点,是一种经济节能的表面加热手段。高能率加热具有加热速度快、表面质量好、变形小、能耗 低、无 污染等优点,也是一种极 为有效的表面加热方式。还有将工件浸入电解液 中,利用工件与电解液之 间的电弧放电现象进行快速加热,可用于电解淬火、放 电渗碳等热 处理过程,能提高工件表面的耐磨性,但只适用于形状简单的工件。在整体加热方面,有真空加热、高压加热、流态床加热等方式。流态床加热是从炉底的多孔布风板 向炉膛 内吹人气体,使石墨或?等固体粒子悬浮起来并沸腾,形成所谓的“流态床”,将工件浸入流态床中进行加热,通过控制吹入气体的流速及压强,改善其加热特性,即 可实现各种类型的热处理。流态床加热 的能量密度不高,但加热快且均匀、节能、工件变形小、表面光洁、处理后不需清洗、工艺转换容易、能提高产品质量、降低成本,是一种很好的加热方式,特别 适宜于多品、小批量和周期性生产,可用来取代传统的盐浴热处,其发展前景令人瞩目。采用新的淬火介质和改进淬火方 法改进原有的淬火介质,采用新型淬火介质淬火介质是实施淬火工艺的重要保证,对热处理工件变形,防 止开裂,保证达到所要求的组织和性能。在热处理生产中,常用的淬火介质有水及水溶液、油、盐类等,它们各有其优缺点。例如,水是 应用最广泛、最经济和冷却能力很强 的淬火介质,但它在整个冷却温度范围内冷却速度很不均匀,尤其在低温区,冷却速度极快,易使工件变形和开裂?当水温达到钧以上时,其冷却能力急剧降低,又易使工件淬不透。又如用油淬火,虽然对减小工件变形和开裂很有利,但油在珠光体转变区冷却速度慢,且易老化,污染大,有发生火灾的危险,必须配备必要的清洗、通风和防火安全设施。为此,要对原有的淬火介质进行改进,并积极开发应用经济、安全、无污染的新型淬火介质。近年来,新型淬火介质最引人注目的进展是有机聚合物淬火剂的研 究和应用。其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不嫩烧、抗老化、使用安全可靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、可明显减少淬火工件变形和开裂倾向。目前有机聚合物淬火剂 在大批量、单一品种的热处理上用得较 多,但其应用日趋广泛,并有逐步取代淬火油的趋势,是淬火介质的主要发展方向。在使用时可根据工件的特点,合理选定有机聚合物的浓度,便能得到合适的冷却速度,从而有效地减少工件的变形和开裂。例如,常用的聚乙烯醇水溶液,在加水稀释 成不同浓度后,可得到介于水和油之 间的冷却能力,适用于结构钢、工具钢、轴承钢等诸多钢种的整体浸入淬火。还有聚丙稀酸钠水溶液、聚醚一乙二醇水溶液等,也获得了广泛的应用。?改进老的淬火方法,采用新的淬火方法工件的热处理质量主要取决于加热和冷却两个过程,而冷却过程对工件质量的影响更大。为此,应根据工件所用的材料、技术要求、服役条件等,来选择正确合理的淬 火方法。为了使工件获得最佳的淬火效果,还需不断改进淬火方法,并采用新的淬火方法。如采用高压气冷淬火法?工件在强惰性气流中冷却,可防止表面氧化,避免开裂,减少变形,保证达到要求的硬 度?、强烈淬火法?采用高压喷射淬火介质,使其强烈地喷射在工件表面上,促进均匀冷却,能获得优质工件?、流态床冷却淬火法?工件在流态床中冷却,使冷却均匀,淬火变形 小,表面光洁,适用 于形状复杂、易开裂 的工 件?、水一空气混合剂冷却、沸腾水淬火、热油淬火、深冷处理等。?未完下期待续?理种?后工件的质量影响很大。正确选择淬火介质,可以减小国外金属热处理?年第?期?试验结果及分析?硬度和组织的变化经过?和?处理后,硬度升高,其组织为?和同时存在的丫,发生?化,因此通过?处理后,、几乎全部转变成?。?残余奥氏体?,?的变化经?处理后,振一般都会减少。对?钢,当?为?时,?。为?,经温度为一?的?处理后,丫,为?。这种状态直至一?仍无太大变化。当?为?时,?二?肠,一?处理后?,?,一飞?处理后丫?一?,判明了仍有相当数量的残留 饭。?等提出丫?环?,?,?温度?之间存在如下关系?丫?一?一?一?的?一?铭,据上式,在?时,丫,?一?时,丫,二?一?时,丫。?刁?一?时,丫。一?。这与从?淬火件的情况极相符合。一?处理、?亡又?次回火后进 行寿命试验,结果如图?所示。可见,经一?亡?处理的冲头寿命最长。?十?象镇映鹅?占 日?日“?孟未?处理一?处理一?处理图?冲头寿命试验结果?夕飞日?。?乙利翻察?!?钢种图?经?处理石,各钢种磨损量的比较?载荷?,摩擦速度。二洲?,摩擦距 离?。?耐磨性能的变化对?的磨损试验结果表明?在低速区?以下?无论是非?处理还是?处理件,耐 磨损性均无太大差异。但在?以 七的高速区则出现明显差别。经?处理的工件,耐磨性提高,且一?处理者较一?亡?处理者效果更好。一?处理之工件,丫,量少,其?组织中的微细碳化物 粒子分布非常均匀,由于?组织的细化,碳化物粒子 细小且均匀分布,故其剥离磨损速度减缓。试验用工具钢耐磨性能的比较如图?所示。可见,经?一?亡?处理的工 件比经?一劝亡?处理的工件耐磨性更高。另外?对?钢制冲头?冲裁对象 为黄铜?,经?二?真空 加热、加压气冷、?一?亡或?藤本荣?处理对工件耐磨损性的影响对?钢,改变其 从?,?亡,?淬火处理到?处理 时的放 置 时 间和保冷 时间以研究其、,?、组织和耐磨性。?处理分别为?处理?干冰,约一?亡?和?处理?液氮,约一?。可以看到,到?处理 之前的放置 时间与硬 度的关系随?的高低而有所不同。即使是放置?天?丫?也不会稳定化,所以?处理的效果是肯定的。此 外,关于保冷时间,可以看到,如果工 件达到这一温度则即使保 持?也有 充分的效果,而在保持?的范围内,保冷 时间儿乎没有影响。关于放置时间与丫?的关系,淬火后不放置和放置?天,在后一种情况下?有所减少,但两者无明显差别,尽管后者 的?。有若干减少,但两者差别并不 明显。在耐磨性方面,在低速区内放置时间多少有些影响,放置时间长的磨损量大一些,但在高速区内则几乎没有什么差别。可是?不论是?或?,均比未经?处 理的耐磨性要好。尤其是在高速区内这 种差异更加明 显。保冷时间对耐磨性的影响不太大。未发现?或?处理引起金属组织的变化。以上是对?进行?处理的结果。但如果是?那样的高合金钢,则情况应当有所变化。?岸上慎次郎?不锈钢 的?处理试样采用含?、招?环?的?系不锈钢,?淬火,其组织 为?斗?。?再将试样进行?处 理?一?一一?,丫?转变为?,硬度升高。如果淬火国外金属热处 理?年第?期后放置时间过 长,介稳 定化后,?转变量减少,硬度提高不多。放置时间在?之内,对?,的稳定化没有多大影响。对冲击值而言,?温度越 低,冲击值就越高,而且耐磨损性也提高。此 时也显示 出淬火后的放置时间越短越好,放置时间越长性 能越差的倾向。?铜合金含?的铜 合金被 用作点焊机的电极,对其实施?处理后,塑性变形减小,端面的修 磨量减小,故其 使用寿命可提高?倍?日本 为?倍,美国为?倍?。?冷处理的实例?工具钢对工具钢进行?处理的实例很 多,其目的大都是为了提高工具的耐磨损性以延长工具的寿命。高速钢钻头和铣刀进行?处理,由于在二次硬化时丫,的?转变和碳化物微粒的析出,使硬度提高,切削性能得以改善。模具钢?经过一?、一?、一?的?处理后,在?温度范围回火。当回火温度高于?,其韧性和耐磨性都有明显提高。?写?模具钢淬火后进行?处理洲?转变为?,用作冷作模具,寿命可提高?倍。?系不锈钢?、?!制刃具,经552处理后,刃口锋利度增加。德国赫格尔刀具公 司生产的不锈钢刃具全部都实施 了5 52(一10 0)处理。(2)轧辊对冷轧用s KDl l钢制轧辊实施552处理后,硬度提高,使用寿命延长23倍。对9%c r的轧辊用钢实施52处理后,Y;减少,硬度提高,组织稳定化,故性能得以提高。(3)齿轮高 浓度渗碳(1.1 5%c)齿轮 淬火后,为进行。z(一了 3)处理,200回火,则Y R减少,硬度提高,因此不产生齿面的塑性流动,齿轮表面也无裂纹产生。另外,52处理后不会产生磨 削裂纹,时效变形减 小,啮合噪声降低且能承受高载荷。但也有文献认 为52处理对渗碳件的冲击值影响不大,但高周疲劳强度减半。有丫,存在时齿接触好,赫兹压力降低。此外,由于相变诱发塑性(T R下)而提高了硬度,增大了韧性,这也是齿轮实施52处理的优点。(钓硬质合金wc+c。硬质合金 实施552处理后,切削性 能提高29倍。含Cos%的wc硬质合金 在LN:中浸溃20分钟,组织发生微粒化。将含c o6%的 wc硬质合金立铣刀放置在LN:中进行3小时552处理后,切削零件数提高 加O27 00件。此外,木材加工用硬质合金纵切剪实施5 52处理后,其切削寿命成倍增长。硬质合金通过552处理后性能提高的原因至今还不十分清楚,但其效果是不可否认的。有关其原因之探讨乃是今后的一个课却。4低温处理的应用实例(1)低温淬火(ery oquenching)通常把在液氮(LNZ)中进行的淬火处理叫做低 温淬火。它 主要用于防止A I合金薄板变形。即是LN:在一196温度下气化,再缓慢地均匀地吸取热量,A 1合金板材经这种固溶处理,能起到防止变形,进而减轻残余应力的作用。其方法与水淬相 同,操作简便,最适于T 6、T4的处理。由于淬火变形小,因而在固溶处理前孔的加工和焊接组合均不存在间题。在 美国,该方法通常应用 于600 1合金 的T刁、T6处理(板厚3.2 m m以下)和20 14金属包覆 A l合金的T 6处理(板厚1.6 m m以下)。日本东北大学金属研究所曾对钢进行过低温悴火试验,钢在低温液体(液氧一18 2)中似乎应比在 水中冷得 更快。但测定淬火硬度却完全未硬化。对这种奇怪 的现象,本多先生说:“那是因为与氧气淬火相同,因此会产生与正火一样的硬度。也就是说因为是气冷,所以淬不上火。”(2)低温冷处理急热法(c ryo uP hsl一qu on e拍ng)通常,A l合金用固溶处理(500一5 50水冷),由于水冷 会产生残余应力(a a),从而诱发时效变形。消除。;的方法有热和机械两种。用热来消除人必须在再结晶温度以上进行加热、用机械法消除。,要反复施加拉伸,压缩力。这样一来,A 1合金需要伸长1.5写3%。此外,采 用机械振动的方法也很有效。但是机械法不适用于形状复杂的零件。采用加热法消除 A I合金的应力需要较高温度,因而不能避免强 度的下降。因此,考虑 采用冷处理急热法。所谓冷处理急热法就是从52温度进行急热的方法,也称为Trseyele st res srel ieving法。最初是使用干冰浸渍后 投入沸水 中,但效果不稳定,时好时差,往往不能满足要求。1950年A l c oa公司研究出LN:一高速蒸汽法是一种成功的方法。A l合金随壁厚,固溶冷却的 不同而产生的残余应力的变化 如表9所示,即壁厚越薄,冷却降低就越慢。经冷处理急热法处理后a a的消除率见表10。因此为了有效地应用冷处理急热法应当:1)固溶处理后在l h内浸入LN:中,2)保持到被处理工件的内、外部达到同一 温度;3)转移至高压水蒸汽喷射或沸腾的水中;的然后按规定进行时效处理(回火)。国外金属热处理199 8年第1期表9A l合金的固溶化冷却与残余应力壁厚(:。m)固溶化冷却冷水66它热水沸水冷水66C热水冷水66亡热水冷水66亡热水残余应力(kg/m mZ)23.15.1.理方法 叫加压回火。加压冷处理在弹簧的成形加工中备受欢迎。加压冷处理是在52(S52、c sZ)处 理 时,利用YR转变为M时的相变超塑性(T R IP)成形的方法。很适于 回火温度在0 0以下的工件整形。常用于校正SK和SK s钢的淬火变形。表1 0残余应力 的消除率冷处理急热法。淬火LN:蒸汽(高速)干冰蒸汽(高速)L N:蒸气(低速)LNZ一沸水干冰沸水应力消除率(%)8248441919注:工件尺寸50mm xsom m火3 0 0mm;固溶处理后一 h以内进行冷处理急热法。采用冷处理急热法消 除。:,不仅适于 A l合金,也适用于钢制件及铜合金。(3)低 温 拉伸模压 成 形法(C r”genie stretchform ing)把八系不锈钢(sus30月、30一)浸入研:(一196)中,进 行 1 3%拉伸,成形后在 枪0它温度 中进行回火处理。这种方法是利用了Y的TR IP的处理方法,如此可在成形的同时提高强度.(1)低温切削(Cryo一eutt ins)A系不锈钢(s us3。材质较软、粘性大,是难切削加工材料。在进行切削 时,一边喷射L N:一边切削,这种难切削材料会出乎意外地易于切削加工。故把这种方法叫做低温切削。(5)冷缩配合(Shrink丘t)这种配合方式与热压配合恰相反。将插入物在低温下放置,产生径缩,再将其擂入外环(配合件),通过恢复至常温 后发生膨服而嵌合的方法。这种方法不同于热压配合,无热量产生,具 有作业简 单、安全易行的优点。(6)加压冷处理(P res s一s ubze ro)为减小淬火变形,淬 火冷却 时对工件加压的方法叫做加压淬火。格里森齿轮的加压淬火是非常有名的。另外,回火时(温度在刁 0 0亡以上)进行加压整 形的处5尚待研究的课题51Gary博士提案5 52处理还有许多尚待解决的间题,今后 主要从以下J L个方面作进一步的研究:(1)收集以往的有关研究结果和文献;(2)对 1 5种工具 钢、4种铜合金的 5 52效果进行实验研究;(3)进行显微组织变化、X射线分析、碳化物析出、电阻变化、比重测定等方面的研究。对于工具钢,包括碳工钢、合金工具钢、模具钢和高速钢等共1 5种钢种进行 5 52处理,进一步研究其冲击值、热硬度、残余奥氏体(丫R)和耐磨性等的变化。对552温度(液 氮,一19 6)下的保持时间分别按l h和4 h实行。对电阻焊电极所用的铜合金中的 c d一c权合金,z r-c u合金、c r一cu合金和 A 12o3一C u合金进行5 52处理,并测定 其抗压强度、热硬 度、电导率等的变化。试验5 52处理后在 3 15温度下 回火的影响。当552处理温度 为一19 6C和一26 9时其保冷时 间分为l h和4天两种。5.2大和久重雄博士的提案日本预定成立5 52研究部(预计1998年开始),为了确认:(t)552处理使Y,转变为M的转变率;(2)碳化物的析出;(3)晶粒细化。测试硬度变化、组织变化、电阻变化以及耐磨性变化等。研究对象为钢、铝合金、铜合金和 wC+C。硬质合金。对干过冷 奥氏体和残余奥氏体有哪些不同,丫,的稳定化、TR护产生的M等均需深入探讨。最近有研究表明.由YR的TRI P产生的M与淬火、回火M不同,对它们进行特殊的浸 蚀后,能够清晰地分辨 出YR是白色的,淬火回火的M呈黑色,TR IP的M呈 红褐色。因此,淬火一回火M和TR IPM在本质上 到底有何不同 尚需研究。心:叮d h,口q 舀一 上0 目,上国外金属热处理19 98年第1期