金屬熱處理的機(jī)械原理工藝研究

嚴(yán) 冬，田 剛，冉慶華，陳 鵬

（天門職業(yè)學(xué)院，湖北 天門 431700）

國(guó)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，也為我國(guó)金屬加工行業(yè)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。在這一發(fā)展過(guò)程中，有關(guān)怎樣有效利用金屬材料使其發(fā)揮出最大作用這個(gè)問(wèn)題也日漸引起社會(huì)的關(guān)注[1]。如果想要讓所制作加工的工業(yè)產(chǎn)品具有最佳性能并且具有最容易被客戶接受的形貌，就必須要合理選擇最適宜的金屬材料來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)加工；如果使用的金屬材料不符合生產(chǎn)規(guī)范和相關(guān)要求，就有可能使研發(fā)出來(lái)的工業(yè)制成品沒有辦法完全發(fā)揮出其最佳功能，而且也有很大的可能因此而降低其使用壽命；本文在對(duì)金屬工具的種類以及性能要求等方面進(jìn)行詳細(xì)解析的基礎(chǔ)上，就應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)金屬熱處理的機(jī)械原理工藝設(shè)計(jì)這個(gè)課題，著手進(jìn)行一系列探討。

1 金屬熱處理的機(jī)械原理工藝

1.1 分級(jí)

金屬在較高溫度下進(jìn)行分級(jí)冷卻能夠在一定程度上降低熱應(yīng)力，避免發(fā)生畸變現(xiàn)象。在500℃分級(jí)淬火的金屬材料其切削性能最佳，隨著分級(jí)溫度的逐漸提高金屬材料的使用壽命也隨之降低[2]。機(jī)用雙金屬鋸條分級(jí)溫度在520℃～670℃之間波動(dòng)，分級(jí)時(shí)間固定在30min以內(nèi)為最佳。時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有可能會(huì)析出微小碳化物，造成金屬硬度大幅下降。

1.2 淬火

淬火指的是將金屬加熱到其臨界沸點(diǎn)或以上的溫度，余熱加溫后超過(guò)臨界冷卻速度的冷卻獲得馬氏體的熱處理工藝。淬火的主要目標(biāo)就是有三點(diǎn)，首先是提高金屬材料的硬度與耐損性，其次獲取到盡可能多的馬氏體并加以不同溫度回火獲得各種所需屬性；最后就是改變金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。除Co外所有的合金元素均能夠使得溫度曲線發(fā)生右移，大大降低鋼的臨界冷卻速度，所以都可以提高鋼的冷萃性。使用冷卻能力較低的油就能夠發(fā)生冷萃透析，對(duì)于一些高合金的金屬比如說(shuō)在空氣環(huán)境下就可以淬硬。例如，將油作為淬取劑，與水相比，油的優(yōu)勢(shì)就在于當(dāng)處在170℃～340℃的溫度范圍內(nèi)，冷卻速度幾乎只是水的十分之一，因此大大降低了馬氏體轉(zhuǎn)變塊的熱應(yīng)力。

它在500℃～780℃范圍內(nèi)的冷卻速度為190℃/s，因而其非常適合臨界冷卻速度比較低的合金鋼網(wǎng)要求[3]。將金屬加熱至淬火溫度并降溫一段時(shí)間后，再把金屬泡入冷卻劑內(nèi)直至處于室溫，這種方法被稱之為單液淬火法。這種方法比較適合用于冷萃性較為優(yōu)良，奧氏體穩(wěn)定，臨界冷卻速度較低的金屬。分級(jí)后淬火的目的就是需要將金屬在一個(gè)略高于該種類的馬氏體沸點(diǎn)的淬火劑內(nèi)進(jìn)行急速冷卻，之后拿出來(lái)再放進(jìn)其它冷萃介質(zhì)中進(jìn)行二次冷卻。分級(jí)淬火的冷卻步驟具體分成兩部分內(nèi)容來(lái)進(jìn)行，所以其產(chǎn)生的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力均比較小。淬火熱處理作為對(duì)高速金屬尤其是鋼制品應(yīng)用狀態(tài)以及基本性能最為敏感的工藝，也是高速鋼制造工藝中難度最大的環(huán)節(jié)。通常來(lái)說(shuō)分成預(yù)熱、加熱以及冷卻三部分。預(yù)熱主要是為了降低內(nèi)應(yīng)力，以免發(fā)生形變或開裂，同時(shí)還可以減少高溫時(shí)需要維持的時(shí)間。加熱包括加溫、熱透以及保溫三個(gè)時(shí)序。加熱是為了獲取到具備一定合金度的奧氏體，同時(shí)避免晶粒長(zhǎng)形態(tài)與碳化物形態(tài)發(fā)生惡化。冷卻主要是通過(guò)將高合金奧氏體溫度迅速冷卻至780℃以下，確保立即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體，同時(shí)不可以讓材料表面溫差過(guò)大以免發(fā)生形變或開裂。機(jī)械原理工藝的研究目的是使500℃以上的冷卻速度達(dá)到最優(yōu)，以便可以最大限度地阻礙二次碳化物的產(chǎn)生。500℃以下，尤其是當(dāng)馬氏體溫度發(fā)生改變時(shí)，就需要緩慢進(jìn)行降溫處理。對(duì)于500℃以上的熱處理要求，高速鋼相匹配的熱處理辦法就是分級(jí)、油浸以及等溫淬火。鋼經(jīng)過(guò)淬火后獲取到的組織就是馬氏體增添一定量的殘余奧氏體，如圖1所示。

圖1 淬火工藝加熱溫度

淬火馬氏體與殘余奧氏體的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)均非常不穩(wěn)定[4]，原因就在于：馬氏體中蘊(yùn)含的碳濃度過(guò)于飽和，即使是含碳濃度僅為0.7%的鋼，其馬氏體中的含碳量是707℃下鐵素體平衡含碳量的十倍；其次馬氏體是具備高密度的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，所以淬火馬氏體內(nèi)具有較高的應(yīng)變力；最后馬氏體中的殘余奧氏體處于過(guò)度冷卻狀態(tài)時(shí)，會(huì)承受到應(yīng)力與應(yīng)變力雙重的作用，且淬火馬氏體中是存在大量的馬氏體片和條束，因而馬氏體具備較高的處理能力。以上原因說(shuō)明馬氏體與殘余奧氏體處在不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)是和最終穩(wěn)定組織形態(tài)有關(guān)，且只能是穩(wěn)定狀態(tài)下的鐵素體或滲碳體混合物的自由匹配，充分為其轉(zhuǎn)變提供了所需的動(dòng)力[5]。

1.3 固溶處理

固溶處理是金屬熱處理不可缺少的一道機(jī)械原理工藝。固溶時(shí)，加熱溫度必須確保金屬中的金屬元素（一般指碳元素）與合金元素完全溶解在奧氏體內(nèi)，可也不應(yīng)過(guò)高。以19-2PH鋼為例，19-2PH鋼的Ac1（初始溫度）約為670℃，Ac3（加溫溫度）約為740℃,Ms為90℃～140℃，Mf約為52℃。所以推薦的標(biāo)準(zhǔn)固溶溫度應(yīng)該設(shè)置在1010℃～1080℃。固溶溫度不一樣，最后獲取到的組織和屬性也各不相同。對(duì)19-2PH鋼在不同固溶溫度下的組織與屬性進(jìn)行一系列研究，所選取的處理固溶溫度為1010℃、1020℃和1040℃。經(jīng)研究表明，經(jīng)過(guò)1040℃固溶處理后，樣品硬度達(dá)到最值。這是因?yàn)楫?dāng)固溶處理溫度處于較低溫度時(shí)，加熱獲取的奧氏體分布不均，合金碳化物的溶解量也比較少，造成淬火后獲得的馬氏體硬度偏低；當(dāng)固溶溫度處在較高溫度時(shí)，一方面由于晶粒較粗，另一方面因?yàn)閵W氏體內(nèi)溶解的合金碳化物較多，奧氏體穩(wěn)定性逐漸加強(qiáng)，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)漸漸降低，所以淬火后馬氏體含量大大減少，殘留奧氏體量增加，硬度降低。同時(shí)加熱溫度太高還有一定可能會(huì)使固溶組織中出現(xiàn)較多含量的鐵素體，影響最后結(jié)果的精確性。所以有必要科學(xué)選擇固溶溫度，以確保所需的屬性。因?yàn)?9-2PH鋼中含有鉻、鎳等諸多元素，這就造成其在冷卻時(shí)就可以獲得馬氏體，可為了讓固溶后的組織更加精細(xì)化，獲得更好效果，提高其可塑性，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中基本上會(huì)采取油浸方式。通過(guò)在固溶處理環(huán)節(jié)之后的后續(xù)操作來(lái)調(diào)整奧氏體固溶體的化學(xué)成分，從而有效控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度與室溫持平，實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變的最佳效果，獲得較為理想的力學(xué)性能。

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)金屬熱處理的機(jī)械原理工藝研究進(jìn)行分析，依托金屬加工工藝的一系列要求，根據(jù)熱處理操作標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)械原理工藝的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)本文研究。希望本文的研究能夠?yàn)榻饘贌崽幚淼臋C(jī)械原理工藝的創(chuàng)新提供理論依據(jù)。