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发表于 2007-4-21 21:14:43
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来自: 中国河北保定
退火常见问题与解决技巧
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工件如何获得性能优异之微细波来体结构? " x5 x- }5 x% U1 r' u* Z
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退火处理会使钢材变软,淬火处理会使钢材变硬,相比较之下,如施以『正常化』处理,则可获得层状波来铁组织,可有效改善钢材的切削性及耐磨性,同时又兼具不会產生裂痕、变形量少与操作方便等优点。然而正常化处理是比较难的一种热处理技术,因為它採用空冷的方式冷却,会受到许多因素而影响空冷效果,例如夏天和冬天之冷却效果不同、工件大小对空冷速率有别、甚至风吹也会影响冷却速率。因此正常化处理要使用各种方法来维持均一性,可利用遮阳、围幕、坑洞、风扇等。
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正常化处理与退火处理之差异 3 Z; T1 p$ y$ w& v# |1 W
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正常化处理维加热至A3点或Acm点以上40~60℃保持一段时间,使钢材组织变成均匀的沃斯田体结构后,在静止的空气中冷却至室温的热处理程序。对亚共析钢而言,可获得晶粒细化的目的而拥有好的强度与韧性;对过共析钢而言,则可防止雪明碳铁在沃斯田铁晶粒边界上形成网状析出,以降低材料的韧性。
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. L# Z2 D0 x% V$ N C9 O完全退火处理主要目的是要软化钢材、改善钢材之切削性,其热处理程序為加热至A3点以上20~30℃(亚共析钢)或A1点以上30~50℃持温一段时间,使形成完全沃斯田体组织后(或沃斯田体加雪明碳体组织),在A1点下方50℃使充分发生波来体变态,获至软化的钢材。另外应力消除退火则是在变态点以下450~650℃加热一段时间后徐徐冷却至室温,可消除钢材内部在切削、冲压、铸造、熔接过程所產生的残留应力。
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! N: Y+ @3 R9 V* X如何消除工件之残留应力?
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应力消除退火则是在变态点以下450~650℃加热一段时间后徐徐冷却至室温,可消除钢材内部在切削、冲压、铸造、熔接过程所產生的残留应力。对碳钢而言,参考的加热温度為625±25℃;对合金钢而言,参考的加热温度為700±25℃。持温时间亦会有所差异,对碳钢而言,保持时间為每25mm厚度持温1小时;对合金钢而言,保持时间為每25mm厚度持温2小时,冷却速率為每后25mm以275℃/小时以下的冷却速率冷却之。 " b# ?1 M9 j L& b
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如何预防加热变形? & I! w+ R# B9 M* \+ u& V8 X
# J8 Q1 Z% G( r$ G$ l预防加热变形的发生,最好是缓慢加热,并实施预热处理。一般钢材在选择预热温度时,可依下列準则来选定预热温度:(1)以变态点以下作為预热温度,例如普通钢约在650~700℃,高速钢则在800~850℃左右。(2)以500℃左右作為预热温度。(3)二段式预热,先在500℃左右作第一段预热,保持一段时间充分预热后,在将预热温度调高至A1变态点以下。(4)三段式预热,针对含有高含量合金之大型钢材,例如高速钢,有时需要在1000~1050℃作第三段预热。 3 g& ?( V1 P& U& V0 j
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退火的种类和淬火 ; ]- A% a& i. X0 q o7 k$ z
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% V4 q2 H, Z6 i+ M 一、退火的种类
; I( `# ^% r0 a) M1. 完全退火和等温退火
. m0 A: U; o1 E: N) Z1 ~- F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。) r& m6 L8 ] Z
2. 球化退火* G2 c5 i9 p( x& q. [8 G. z' e
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。4 `5 s+ ?8 J( u# X V% K# m
3. 去应力退火
' H0 A' u6 x/ ?: H, _& m) K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。
( F" P q) R! e$ g7 F) ^' r二.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。 7 @8 @" u6 W( {( E! Q
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退火与正火
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, [3 `' ~6 o2 v2 U9 j9 v, s. [0 z7 _# ` 1.钢的退火将钢加热到一定温度并保温一段时间,然后使它慢慢冷却,称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度,经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的,是为了消除组织缺陷,改善组织使成分均匀化以及细化晶粒,提高钢的力学性能,减少残余应力;同时可降低硬度,提高塑性和韧性,改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力,又为后续工序作好准备,故退火是属于半成品热处理,又称预先热处理。
/ F- I7 Y" @( t5 k$ s# ^ 2.钢的正火正火是将钢加热到临界温度以上,使钢全部转变为均匀的奥氏体,然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体,对于亚共析钢正火可细化晶格,提高综合力学性能,对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。 ) l8 N2 C$ i" f
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& _; H d- I p/ ^' O* r$ s完全退火处理 3 _' e6 F5 J: F6 Z& O* }* ]8 V0 r
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完全退火处理係将亚共析钢加热至Ac3温度以上30~50℃、过共析钢加热至Ac1温度以上50℃左右的温度范围,在该温度保持足够时间,使成為沃斯田体单相组织(亚共析钢)或沃斯田体加上雪明碳体混合组织后,在进行炉冷使钢材软化,以得到钢材最佳之延展性及微细晶粒组织。
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& R9 u/ `3 l P4 M* k 铸铁之弛力退火处理 7 Z" K7 j. a; Y3 P8 {
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几乎所有的铸件在冷却过程中都会產生热应力,在热处理过程中,特别正常化处理和退火处理之后均会成内应力,内应力发生的主要原因在於铸件的内部肉厚不同,在急速冷却过程中由於热降的差异发生,肉厚不同会使每一个不分的收缩各异,因而引起了所谓内应力,冷的部分具有较高的潜变长度,而热的部分其长度较低,故热的部分就会在冷的部分收缩后形成热点造成部份的变形,变形部分之强度,随著变形度的增加而提高,最后再不能进一步变形时,铸件内部形成某种程的弹性应力,甚至塑性应变,即為内应力,此应力几乎可高达与抗拉强度等值,一且由於任何外在的原因使局部应力超过抗拉强度的时候,此类铸件很容易因而造成破裂,热处理是消除内应力最重要的一种方法,主要程序是升高温度,令所有铸建在非常均匀而缓慢的情况下,加热及冷却。 ' U- z* D9 R: H0 i- q! n
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退火温度的高低,主要视铸件的组成部分,以及必须消的强度量而定,甚至必须考虑组织的可能变化,最适合的退火温度可大致归纳如下:对非合金性的铸铁而言,约在500~575℃之间,对於低筋性的铸铁而言,大约在550~600℃之间,对高合金铸铁而言则在600~650℃之间,炉内的温度分布,必须儘可能的均匀以避免存在温度梯度,不论任何情况下,用於退火的火焰或热气体,不能直接喷向铸件,以避免在加热的时候,薄壁的部分在次引起热应力,而增加残留应力的存在量,进而引起破裂,在到达退火温度后的第一小时内大部分的内应力均会消除,则视铸件的厚薄而定,一般而言铸件厚度每增加25mm必须增加一小时的退火时间。
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铸铁之软化退火处理 5 j3 @. g. m6 y% r) y' u4 \: X
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灰铸铁与球状石墨铸铁软化退火,事实上是一种针对碳化物分解的热处理,对非合金性及低合金铸铁而言,铁碳所形成的碳化物并非是一种稳定相,在高温中经过一段足够长的时间,碳化物分解成為石墨、肥力铁或沃斯田铁,此类分解过程就是一般所谓的软化热处理,同时也是製造展性铸铁的主要程序,灰铸铁裡的碳化物主要分两类,第一类是在凝固过程中形成的共晶碳化物(Eutectic Carbide),一般称之為自由碳化物(Free Carbide)。软化处理主要分成两个步骤,及第一段石墨化及第二段石墨化,共晶碳化物之分解為第一段石墨化,波来铁分解為肥力铁与石墨之步骤為第二段石墨化。图2-2所示為软化处理时间-温度曲线,如果波来铁分解时予以非常缓慢的冷却,则同时可达到弛力退火的效果。 ( N# G! z& u$ ?$ h" j
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第一段石墨化处理的目的在於消除共晶雪明碳铁,因此当灰铸铁或者球状石墨铸铁,再凝固过程中,石墨形成不完全,大部分都会形成共晶雪明碳铁,在铸件的角落和锐边处,由於冷却速率较快,或以金属模铸造时激冷效果均会產生共晶雪明碳铁,另当硅的含量不够,或接种的处理不良都会產生硬点,或形成碳化物,如果铸铁内具碳化物的稳定元素,儒Cr、V或太高之锰含量时,也会形成相同的结果,如果是由於成分的配合不恰当,晶界形成共晶碳化物,则铸件的肉原对碳化物之形成不会產生之影响,此类碳化物在某一个温度范围内相当的不稳定,其分解速度随著温度的降低而急速的减小,且随著温度的升高而急速的增加。第一段石墨化的温度不宜太低,其温度范围大约在850℃至950℃之间,对球状石墨铸铁而言,由於需要较高的韧性,因此温度不宜超过920℃,以免发生沃斯田铁初晶,退火的时间必须加长,退火时间的长短不仅由退火温度来决定,同时需考虑铸铁的种类成分,甚至要考虑碳化物的种类,一般而言退火时间可由2~15小时,為了避免脱碳,同时考虑经济上的效益,退火时间应儘可能地缩短,石墨化元素如硅及微量的铜可加速雪明碳铁的分解,而碳化物的稳定元素,如铬、铝、铜,在正常情况下会严重地延迟石墨化的时间。 ) s9 ^* M/ y1 s) ~, e6 {
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第二段石墨化处理的目的是消除或减少波来铁,其主要作用在於分解波来铁,或者经过第一段石墨化处理后,在冷却过程中,防止波来铁的再形成,第二段石墨化处理可见图2-1中,应与第一段石墨化裡共同进行,假如无共晶碳化物存在,也可单独进行,主要的执行步骤,是在变态温度以下非常缓慢的冷却,或者在变态温度以下保持一段时间,对球状石墨铸铁而言,肥粒铁化后的组织对性质有非常大的影响,对灰铸铁而言,肥粒铁系的组织单使材料变软而已,雪明碳铁的分解速率随著温度之增加而增加,此现象与第一段石墨化处理结果相似。温度超过变态温度范围,则有部分的组织发生沃斯田铁化,冷却时,可在次形成波来铁,当温度超过600℃时,波来铁分解非常迅速。直到其完全分解為止,退火时间需要8至12小时,当温度超过某一临界点时,此肥粒铁的生长速率会得到相反的效果,可见要完全成肥粒铁化所需要的退火时间在4~24小时之间,温度则在680~740℃之间。 |
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