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如何选择合适的感应加热处理方案

时间:2021-10-18 10:47:32 来源:青岛海越 点击:

如何选择合适的感应加热处理方案
早在今天的许多技术进步之前,人们就已经对金属进行了热处理,以改善特定应用的物理和化学性能。在中世纪,铁匠锻造和回火金属(尽管以相对粗糙的方式)来制造刀片、工具和日常生活用品。现在,冶金学家和材料工程师拥有更广泛的专业技术和设备,可以根据特定应用定制材料。但是有许多不同的感应加热处理,例如淬火、回火、时效、应力消除和表面硬化。
为了消除混淆,下面是最常见的感应加热处理,以及它们的目的和优缺点。
 
退火
退火涉及升高金属的温度,直到它处于由其相图定义的平衡状态。它用于改变金属的物理特性,例如硬度,但也可能发生局部化学变化,具体取决于相变。退火处理通常在机械加工之后进行,例如机加工和磨削,甚至其他热处理,例如淬火。
 
淬火和回火
淬火涉及将钢加热到其临界温度以上并在那里保持足够长的时间,以使微观结构完全转变为奥氏体相。然后对钢进行淬火,该过程通过将钢放入水、油或聚合物溶液中来快速冷却钢。这“冻结”了它的微观结构。钢的淬火冷却控制了冷却速度,冷却速度决定了淬火后的微观结构。冶金学家使用金属的时间-温度-转变图(TTT 图)来预测由此产生的微观结构,无论是马氏体、贝氏体还是珠光体。通过这些结构,碳成分大于 0.3wt% 的铁合金。可能非常坚硬 (>60 HRC),尤其是马氏体结构。但是硬度的增加伴随着韧性的降低。
回火,一个退火过程,淬火后。钢在淬火后变得非常硬和脆,因此它经历了另一个步骤以降低其硬度并增加其延展性,同时保持其微观结构。
 
在临界温度以下回火钢可以使其保持马氏体结构,但如果回火时间足够长,它会转化为铁素体和小碳化物的混合物,其确切尺寸取决于回火温度。这使钢更柔软,更具延展性。关键的回火参数是温度和时间,必须精确控制它们以产生所需的最终硬度。较低的温度在消除内应力的同时保持较高的硬度,而较高的温度会降低硬度。
 
在初始铸造或机械加工后,淬火和回火赋予钢以制造具有材料特性的零件的硬度和强度。然后可以将零件加工成最终状态。淬火和回火会使金属变形,因此零件在最终加工之前总是要经过这两个过程。对于具有用于修改表面特性的附加热处理工艺的零件,淬火和回火决定了零件的核心特性,例如硬度、强度和延展性。(其他表面硬化处理将在后面介绍。)
 如何选择合适的感应加热处理方案
压力缓解
应力消除,即退火步骤,在研磨、冷加工、焊接或最终加工之后,在金属淬火和回火至所需的微观结构和强度后进行。这意味着必须特别考虑以确保工件的退火温度不会太接近其回火温度。这可以防止改变先前获得的硬度和微观结构。
 
应力消除可去除内部位错或缺陷,使金属在最终加工(如气体或离子渗氮)后尺寸更加稳定。应力消除不是为了显着改变金属的物理特性;事实上,硬度和强度的变化是不需要的。
 
沉淀硬化
沉淀硬化是一种特殊的退火步骤,也称为时效硬化,因为某些金属会在亚临界温度下随时间硬化。如上所述,这种强化金属的方法仅限于那些经过淬火处理并且是过饱和溶液的金属,这意味着材料相对于存在的相而言处于非平衡状态。
 
在这些合金中,过饱和马氏体溶液被加热(500°至 550°C)并保持 1 至 4 小时,让沉淀均匀地成核和生长。这导致非变形、高拉伸和屈服强度钢具有比未时效状态更好的耐磨性能。析出相、成分和尺寸取决于时效合金,但都具有相同的强化材料的一般效果。
 
并非所有铁合金都符合这种硬化机制,但马氏体不锈钢(如 17-4、15-5 和 13-8)以及马氏体时效钢都是很好的候选材料。(“马氏体时效”一词结合了“马氏体”和“时效”这两个词。这些钢具有优异的强度和韧性而不失去延展性,但不能保持良好的切削刃。时效是指延长的热处理过程。)对于这些合金,过饱和马氏体溶液被加热(500°至 550°C)并保持 1 至 4 小时,让沉淀均匀地成核和生长。这导致非变形、高拉伸和屈服强度钢具有比未时效状态更好的耐磨性能。
 
感应淬火
感应淬火很像淬火,但有一个明显区别:感应淬火中的加热是有选择性的。这是因为在感应淬火中,加热是通过设计用于匹配零件几何形状的磁性线圈进行的。这意味着可以强化关键零件特征,而不会强化零件的核心。相反,核心保留了金属的强度和延展性。就像传统的淬火一样,它是使用水、油或聚合物溶液完成的。
 
可以在碳含量大于 0.3wt% 的钢上进行感应淬火,并且可以对具有专为它们设计的感应线圈的尺寸和几何形状的零件进行感应淬火。感应淬火还显着减少了淬火零件所需的加工时间,并降低了脱碳的风险。与传统的加热和淬火不同,感应是一种表面受限的热处理,硬化深度范围为 0.5 至 10 毫米。
 
表面硬化
表面硬化热处理,包括渗氮、氮碳共渗、渗碳和碳氮共渗,会改变零件的化学成分——与前面提到的退火技术不同——并专注于其表面特性。根据加工时间和温度,这些工艺会产生深度为 0.01 到 0.25 英寸的硬化表面层。由于额外的加工时间,使硬化层更厚会导致更高的成本,但零件的延长磨损寿命可以很快证明额外的加工成本是合理的。材料专家可以应用这些工艺为特定应用提供最具成本效益的零件。
 
渗碳和碳氮共渗
渗碳非常适用于需要在表面进行额外硬化以提高耐磨性但需要更软的核心以获得卓越强度的零件。渗碳是一种高温工艺(900 至 950°C),涉及碳向钢中的添加和扩散。这些温度高于钢的临界温度,因此随后的淬火让富含碳的表面形成马氏体,而核心保持较软的铁素体和/或珠光体结构。硬化深度可以厚达 0.25 英寸,具体取决于零件在渗碳温度下浸泡的时间。
 
如前所述,渗碳的优点是具有高硬度的深层耐磨层。这是齿轮、刀片和切割工具的理想选择。渗碳用低成本合金钢和低碳钢(例如 1008、1018 和 8620)制造坚硬耐用的零件。原始合金可能导致完全硬化或块状马氏体结构。还应注意,渗碳温度会导致某些零件变形。
 
对于不含大量促进硬化的合金元素的低碳钢,在工艺中添加氮可以提高表面硬度。添加氮称为碳氮共渗。碳氮共渗通常在比渗碳 (850°C) 稍低的温度下进行,因此变形较小,但它也减少了硬化深度(对于可比的处理时间)。碳氮共渗过程中产生的硬化表面虽然更薄,但确实具有更高的硬度和更高的加工温度(如回火和应力消除)。
 
渗氮和氮碳共渗
高温渗碳/碳氮共渗的替代方法是渗氮/氮碳共渗. 它还产生硬化的表面层和类似的耐磨性,但它会将氮扩散到整个表面层(不是碳),并且它使用亚临界加工温度。渗氮的典型温度范围为 450° 至 575°C。这意味着零件可以在其最终加工状态下进行加工,几乎没有变形,因此几乎不需要氮化后加工(如果有的话)。较低的温度还可以保持所需的核心微观结构和物理特性,同时针对给定应用修改表面层。选择渗氮时要考虑的一个注意事项:将任何应力消除、时效或回火温度告知热处理人员,以防止改变核心特性。
 
与仅限于低碳含量钢的渗碳不同,通过渗氮可以为多种合金提供 600 至 1,200 Hv 的表面硬度。但最适合渗氮的合金通常含有标称量的微合金元素:Cr、V、Ti、Al 和 Mo。渗氮对于含有大量铬 (10+wt%) 的不锈钢和工具钢极为有益。这些氮化钢的表面硬度可远高于 70 HRC,非常适合长期耐磨。
 
渗氮也不限于这些类型的铁合金,因为低碳钢也可以硬化。除了产生硬化、耐磨的表面外,渗氮还会形成复合区。复合区是渗氮过程中在表面形成的富氮层,坚硬、耐磨(>60 HRC 当量)和耐腐蚀。这有利于低碳和低合金钢,如果不存在复合区,这些钢将不会被考虑用于恶劣的环境条件。
 
渗氮/氮碳共渗合金的硬化深度通常在 0.005 到 0.030 英寸之间,具体取决于工艺的时间和温度。更深的硬化层需要更多的时间。复合区厚度可达 0.002 英寸。厚,这是哪种合金是氮化物、时间和温度的函数。零件如何渗氮也会影响区域深度。氮化可以通过气体或离子(等离子体)进行。
 
气体渗氮使用裂解氨作为氮源,在正压环境中进行。它是大批量批量加工的理想选择,并且在温度均匀性和具有深孔或通道的渗氮零件方面也非常出色。不建议对多孔零件进行气体渗氮,因为气体流过孔会导致严重的脆化。离子渗氮非常适合选择性渗氮,因为零件可以从等离子体中屏蔽以防止渗氮。
 
离子渗氮是通过在真空中在阳极和零件(阴极)之间施加电位差来进行的。这种电位差形成氮等离子体(一种独特的紫色光),迫使氮原子进入零件的暴露表面。
 
等离子渗氮非常适合合金,例如不锈钢,因为它可以快速分解钝化氧化物表面。通常,由于等离子体的持续溅射,离子氮化钢比气体氮化钢具有更薄的化合物区域。但这对于某些应用来说可能是理想的,例如齿轮,在这些应用中,接触应力可能会损害具有过多复合区域的表面。
 
在比较氮化和氮碳共渗时,后者通常在更高的温度 (575°C) 下进行,并使用碳源。碳的加入形成了更硬、更耐磨、润滑度更高的层。更厚的复合区也可以通过氮碳共渗形成。相比之下,纯氮渗氮环境会形成坚硬耐磨的层,但不如氮碳共渗。那么为什么不总是引入使用氮碳共渗呢?引入碳会增加表面孔隙率,这对接触应力大的零件不利。所得层的延展性也较差。
 
材料选择还决定了哪种加工技术最适合应用。
 
本通用指南解释了一系列热处理。但工程师在考虑热处理时牢记以下有关其零件设计的问题很重要:我的零件受到什么力?他们在什么环境下工作?应用是否需要表面、核心或特定表面区域的不同属性?
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