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钢材的加工制造中会用到哪些热处理技术？掌握它们就掌握了钢铁制造的精髓-热处理展-工业炉展-2024第二十四届广州国际热处理、工业炉展览会-巨浪展览—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2023年10月31日 热处理展-工业炉展-heat treatment expo-furnace expo |
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热处理对金属零件的冶金组织和性能有重大影响，特别是在锻造、焊接、机加工和切割等过程中产生的热量。通过控制微观结构中的扩散和冷却速率，热处理可以有效改变金属的性能和均匀性。在船舶、汽车、铁路和航空工业等领域，热处理被广泛应用于制造和组装各种金属结构。
钢材热处理
绝大多数钢材，其力学性能的实现都集中到钢材的热处理上，对于各种牌号的金属材料，虽然在退火状态，其硬度都差不多，能够进行切削加工，但一经合适的热处理，其强度、硬度、耐磨性、韧性会产生很大变化。同一牌号、同一合金成份的金属材料，不同的热处理方法，其切削性能会有很大的不同。
例如，45中碳结构钢，经不同的热处理——淬火、退火、调质三种方法，其切削性能就会有很大的变化，在退火状状为易切削钢，在调质状态为不易切削钢，在淬火状态就变得又硬又脆，无法进行车、铣、刨、钳的切削加工。对于金属材料的热处理工种，比较形象一点的比喻是，他们是机械加工行业的魔术师，可以将金属材料变软、变硬、变韧、变耐磨。
如何热处理
金属的热处理就必须对金属加热，那么只要在空气介质中加热，必定产生氧化现象，就有了金属热处理的真空淬火，使加热炉在不存在空气的情况下加热淬火，防止零件氧化生锈。对有些零件的热处理，为了达到需要的冷却速度，其冷却淬火方法有油液淬火、盐水淬火、碱液淬火等。有时为了达到所需要的硬度，还产生了双温淬火。
淬火后的钢材其硬度很高，无法进行车、铣、刨的切削加工；淬火后的钢材，由于冷却时内部温度变化不均匀及氧化，产生很大的变形及生锈，而不符合设计图样的技术要求。对于这些硬度高、又变形、又生锈的零件加工，机械加工采用磨削加工、电火花线切割加工、电腐蚀加工手段，来达到设计图样技术要求。
钢材热处理的作用
在热处理中，一种坚固的铝合金AA7175具有高锌含量、良好的疲劳强度和平均机械加工性。研究发现，通过热处理，AA7175合金在最高和最低应力水平下的疲劳寿命分别提高了2146%和411%。此外，通过热处理，铝合金的硬度也显著增加。因此，热处理可以提高金属零件的性能和寿命。
另外，热处理还可以影响金属零件的残余应力。根据电化学实验，热处理程序可以削弱母材和焊缝之间的电化学异质性，从而降低阳极溶解的电位降和电流。此外，研究人员还通过对铝活塞合金进行了完全反向循环弯曲实验，以研究热处理对高周疲劳和断裂行为的影响。
实验结果表明，热处理可以显著提高铝活塞合金在最高和最低应力水平下的疲劳寿命。在金属制造工艺中，选择正确的工艺对于生产出符合要求的零件至关重要。工艺选择要考虑零件的类型、尺寸、复杂性、所需的性能以及材料等因素。
钢材的4种热处理技术
1.什么是淬火？
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。
淬火的目的：
1）提高金属成材或零件的机械性能。
例如：提高工具、轴承等的硬度和耐磨性，提高弹簧的弹性极限，提高轴类零件的综合机械性能等。
2）改善某些特殊钢的材料性能或化学性能。
如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。
2. 什么是回火？
回火是将淬火后的金属成材或零件加热到某一温度，保温一定时间后，以一定方式冷却的热处理工艺，回火是淬火后紧接着进行的一种操作，通常也是工件进行热处理的最后一道工序，因而把淬火和回火的联合工艺称为最终处理。
淬火与回火的主要目的是：
1）减少内应力和降低脆性，淬火件存在着很大的应力和脆性，如没有及时回火往往会产生变形甚至开裂。
2）调整工件的机械性能，工件淬火后，硬度高，脆性大，为了满足各种工件不同的性能要求，可以通过回火来调整，硬度，强度，塑性和韧性。
3）稳定工件尺寸。通过回火可使金相组织趋于稳定，以保证在以后的使用过程中不再发生变形。
4）改善某些合金钢的切削性能。
3.什么是正火？
正火是一种改善钢材韧性的热处理。将钢构件加热到Ac3温度以上30〜50℃后，保温一段时间出炉空冷。主要特点是冷却速度快于退火而低于淬火，正火时可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性(AKV值），降低构件的开裂倾向。一些低合金热轧钢板、低合金钢锻件与铸造件经正火处理后，材料的综合力学性能可以大大改善，而且也改善了切削性能。
正火的目的和用途：
① 对亚共析钢，正火用以消除铸、锻、焊件的过热粗晶组织和魏氏组织，轧材中的带状组织；细化晶粒；并可作为淬火前的预先热处理。
② 对过共析钢，正火可以消除网状二次渗碳体，并使珠光体细化，不但改善机械性能，而且有利于以后的球化退火。
③ 对低碳深冲薄钢板，正火可以消除晶界的游离渗碳体，以改善其深冲性能。
④ 对低碳钢和低碳低合金钢，采用正火，可得到较多的细片状珠光体组织，使硬度增高到HB140-190，避免切削时的“粘刀”现象，改善切削加工性。对中碳钢，在既可用正火又可用退火的场合下，用正火更为经济和方便。
⑤ 对普通中碳结构钢，在力学性能要求不高的场合下，可用正火代替淬火加高温回火，不仅操作简便，而且使钢材的组织和尺寸稳定。
⑥ 高温正火(Ac3以上150～200℃)由于高温下扩散速度较高,可以减少铸件和锻件的成分偏析。高温正火后的粗大晶粒可通过随后第二次较低温度的正火予以细化。
⑦ 对某些用于汽轮机和锅炉的低、中碳合金钢，常采用正火以获得贝氏体组织，再经高温回火，用于400～550℃时具有良好的抗蠕变能力。
⑧ 除钢件和钢材以外，正火还广泛用于球墨铸铁热处理，使其获得珠光体基体，提高球墨铸铁的强度。
4.什么是退火？
退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却的一种金属热处理工艺。退火热处理分为完全退火，不完全退火和去应力退火。退火材料的力学性能可以用拉伸试验来检测，也可以用硬度试验来检测。许多钢材都是以退火热处理状态供货的，钢材硬度检测可以采用洛氏硬度计，测试HRB硬度，对于较薄的钢板、钢带以及薄壁钢管，可以采用表面洛氏硬度计，检测HRT硬度。
退火的目的在于：
① 改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止工件变形、开裂。
② 软化工件以便进行切削加工。
③ 细化晶粒，改善组织以提高工件的机械性能。
④ 为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。
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