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金屬熱處理基礎(chǔ) |
發(fā)布時(shí)間:2016-10-06 15:49:00 點(diǎn)擊次數(shù): |
金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時(shí)間后,又以不同速度冷卻的一種工藝。
金屬熱處理是機(jī)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(xué)成分,而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織,或改變工件表面的化學(xué)成分,賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量,而這一般不是肉眼所能看到的。
為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能,除合理選用材料和各種成形工藝外,熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料,鋼鐵顯微組織復(fù)雜,可以通過(guò)熱處理予以控制,所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外,鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能,以獲得不同的使用性能。
在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過(guò)程中,熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。早在公元前770~前222年,中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn),銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。
公元前六世紀(jì),鋼鐵兵器逐漸被采用,為了提高鋼的硬度,淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟,其顯微組織中都有馬氏體存在,說(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。
隨著淬火技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。三國(guó)蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀,相傳是派人到成都取水淬火的。這說(shuō)明中國(guó)在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了,同時(shí)也注意了油和尿的冷卻能力。中國(guó)出土的西漢(公元前206~公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15~0.4%,而表面含碳量卻達(dá)0.6%以上,說(shuō)明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手藝”的秘密,不肯外傳,因而發(fā)展很慢。
1863年,英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織,證明了鋼在加熱和冷卻時(shí),內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變,鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論,以及英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖,為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí),人們還研究了在金屬熱處理的加熱過(guò)程中對(duì)金屬的保護(hù)方法,以避免加熱過(guò)程中金屬的氧化和脫碳等。
1850~1880年,對(duì)于應(yīng)用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進(jìn)行保護(hù)加熱曾有一系列專利。1889~1890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。
二十世紀(jì)以來(lái),金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用,使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個(gè)顯著的進(jìn)展是1901~1925年,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳;30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控,以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法;60年代,熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用,發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝;激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用,又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。
金屬熱處理的工藝
熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程,有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程互相銜接,不可間斷。
加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多,最早是采用木炭和煤作為熱源,進(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制,且無(wú)環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱,也可以通過(guò)熔融的鹽或金屬,以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。
金屬加熱時(shí),工件暴露在空氣中,常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低),這對(duì)于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱,也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。