(上接)金屬材料熱處理及其應用(一)---基本常識

退火、淬火及回火：
一、退火的種類:
⒈完全退火和等溫退火：完全退火又稱重結晶退火，一般簡稱為退火，這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄，鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重工件的最終熱處理，或作為某些工件的預先熱處理。
⒉球化退火：球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼（如制造刃具，量具，模具所用的鋼種）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準備。
⒊去應力退火：去應力退火又稱低溫退火（或高溫回火），這種退火主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產生變形或裂紋。
二、淬火時，最常用的冷卻介質是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產生淬不硬的軟點，但卻易使工件變形嚴重，甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。
三、鋼回火的目的：
⒈降低脆性，消除或減少內應力，鋼件淬火后存在很大內應力和脆性，如不及時回火往往會使鋼件發生變形甚至開裂。
⒉獲得工件所要求的機械性能，工件經淬火后硬度高而脆性大，為了滿足各種工件的不同性能的要求，可以通過適當回火的配合來調整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性，塑性。
⒊穩定工件尺寸。
⒋對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火（或正火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當聚集，將硬度降低，以利切削加工。

熱處理概念：
⒈正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點Ac3或Acm以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。
⒉退火：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20~40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。
⒊固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。
⒋時效：合金經固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時，其性能隨時間而變化的現象。
⒌固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，以便繼續加工成型。
⒍時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度。
⒎淬火：將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝。
⒏回火：將經過淬火的工件加熱到臨界點Ac1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。
⒐鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。
⒑調質處理：一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。調質處理廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調質處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200~350之間。
⒒釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝。

回火的種類及應用：
根據工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種：
㈠、低溫回火（150~250度）：低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58~64。
㈡、中溫回火（350~500度）：中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35~50。
㈢、高溫回火（500~650度）：高溫回火所得組織為回火索氏體。習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理，其目的是獲得強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結構零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200~330。

鋼的氮化及碳氮共滲：
鋼的氮化（氣體氮化）概念：氮化是向鋼的表面層滲入氮原子的過程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被鋼吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴散。氮化通常利用專門設備或井式滲碳爐來進行。適用于各種高速傳動精密齒輪、機床主軸（如鏜桿、磨床主軸），高速柴油機曲軸、閥門等。
氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調質－精加工－除應力－粗磨－氮化－精磨或研磨。
由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強度的心部組織，所以要先進行調質熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機械性能和氮化層質量。
鋼在氮化后，不再需要進行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850）及耐磨性。
氮化處理溫度低，變形很小，它與滲碳、感應表面淬火相比，變形小得多。
鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程，習慣上碳氮共滲又稱作氰化。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應用較是廣。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度，低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。

鋼的化學熱處理-氧氮共滲：
當鋼在滲氮的同時通入一些含氧的介質，即可實現其氧氮共滲處理。處理以后的工件兼有蒸汽處理我滲氮處理的共同優點。
⒈氧氮共滲的特點：氧氮共滲后滲層可分三個區，表面氧化膜，次表層氧化區和滲氮nitriding。表面氧化膜與次表層氧化區厚度相近，一般為2~4μm.氧氮共滲后形成多孔Fe3O4層具有良好的減摩擦性能、散熱性能及抗粘著性能。
⒉氧氮共滲介質：氧氮共滲時一般用得較多的是不同濃度的氨水。氮原子向內擴散形成滲氮層，水分解形成氧原子向內擴散形成氧化層并在工件表面形成黑色氧化膜。
⒊氧氮共滲的主要用途： 氧氮共滲主要用于高速鋼刀具的表面處理。共滲時的溫度一般為540~590℃，時間通常為1~2小時。氨水濃度以25%~30%為宜。排氣升溫時通氨量應大些，以利于迅速排空爐內空氣。共滲期間通氨量應適中，降溫及擴散時應減少氨的滴入量。熱處理爐可采用有1Cr18Ni9Ti不銹鋼制成爐罐的井式氮化爐代用。爐罐應保護密封性（最好采用真空水冷橡膠密封）。爐頂應有一臺密封循環風扇。爐內保持300~1000Pa的正壓。

鋼的軟氮化：
為了縮短氮化周期，并使氮化工藝不受鋼種的限制，在近一、二十年間在原氮化工藝基礎上發展了軟氮化和離子氮化兩種新氮化工藝。
軟氮化實質上是以滲氮為主的低溫碳氮共滲，鋼的氮原子滲及的同時，還有少量的碳原子滲入，其處理結果與前述一般氣體氮相比，滲層硬度較低，脆性較小，故稱為軟氮化。
⒈軟氮化方法，軟氮化方法分為氣體軟氮化和液體軟氮化兩大類。目前國內生產中應用最廣泛的是氣體軟氮化。氣體軟氮化是在含有活性碳、氮原子的氣氛中進行低溫碳、氮共滲，常用的共滲介質有尿素、甲酰胺和三乙醇胺，它們在軟氮化溫度下發生熱分解反應，產生活性碳、氮原子。
活性碳、氮原子被工件表面吸收，通過擴散滲入工件表層，從而獲得以氮為主的碳氮共滲層。
氣體軟氮化溫度常用560~570℃，因該溫度下氮化層硬度值最高。氮化時間常為2~3小時，因為超過2.5小時，隨時間延長，氮化層深度增加很慢。
⒉軟氮化層組織和軟氮化特點：鋼經軟氮化后，表面最外層可獲得幾微米至幾十微米的白層，它是由ε相、γ`相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，次層為0.3~0.4毫米的擴散層，它主要是由γ`相和ε相組成。
軟氮化具有以下特點：
⑴、處理溫度低，時間短，工件變形小。
⑵、不受鋼種限制，碳鋼、低合金鋼、工模具鋼、不銹鋼、鑄鐵及鐵基粉未冶金材料均可進行軟氮化處理。工件經軟氮化后的表面硬度與氮化工藝及材料有關。
⑶、能顯著地提高工件的疲勞極限、耐磨性和耐腐蝕性。在干摩擦條件下還具有抗擦傷和抗咬合等性能。
⑷、由于軟氮化層不存在脆性ξ相，故氮化層硬而具有一定的韌性，不容易剝落。
因此，目前生產中軟氮化巳廣泛應用于模具、量具、高速鋼刀具、曲軸、齒輪、氣缸套等耐磨工件的處理。
應注意的是，氣體軟氮化目前存在問題是表層中鐵氮化合物層厚度較薄（0.01~0.02mm），且氮化層硬度梯度較陡，故不宜在重載條件下工作。另外，在氮化過程中，爐中會產生HCN這種有毒氣體，因此生產中要注意設備的密封，以免爐氣漏出污染環境。

爐型的選擇：
爐型應依據不同的工藝要求及工件的類型來決定：
⒈對于不能成批定型生產的，工件大小不相等的，種類較多的，要求工藝上具有通用性、多用性的，可選用箱式爐。
⒉加熱長軸類及長的絲桿，管子等工件時，可選用深井式電爐。
⒊小批量的滲碳零件，可選用井式氣體滲碳爐。
⒋對于大批量的汽車、拖拉機齒輪等零件的生產可選連續式滲碳生產線或箱式多用爐。
⒌對沖壓件板材坯料的加熱大批量生產時，最好選用滾動爐，輥底爐。
⒍對成批的定型零件，生產上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐（推桿爐或鑄帶爐）。
⒎小型機械零件如：螺釘，螺母等可選用振底式爐或網帶式爐。
⒏鋼球及滾柱熱處理可選用內螺旋的回轉管爐。
⒐有色金屬錠坯在大批量生產時可用推桿式爐，而對有色金屬小零件及材料可用空氣循環加熱爐。

(待續)金屬材料熱處理及其應用(三)---缺陷及控制

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