機械制造碳素設備加工工藝要點淺析

王力

（河南豫聯能源集團有限責任公司，河南 鄭州 451200）

1 機械制造碳素設備相關工藝概述

如今，人們對機械加工的認識越來越深刻，很多精密零件的加工都是利用機械加工，在加工過程中，會遇到各種各樣的問題，必須采取正確的措施。能夠使事情順利進行第一，粗精加工要分開。這是保證加工精度的唯一有效途徑。粗加工時，切削量大，工件的切削力和夾緊力大，發熱量大，加工面出現明顯的加工硬化，工件內部存在較大的內應力，若連續展開粗、精加工，將影響精加工后的零件精度。對高精度產品，經粗加工低溫退火，再經精加工，完全消除內應力。二是加工時，要選擇合適的加工設備；因為粗加工的目的是切去大部分加工費，加工精度不高，所以粗加工應選擇輸出功率大、剛度好、精度低、效率高的機械設備。粗、精加工時，選用性能各異的加工設備，既能充分發揮設備的綜合功能，又能提高加工效率和加工質量，延長機床壽命。此外，熱處理是工藝規劃的重要環節，不同類型的加工工藝都要根據其性能和要求來進行熱處理。提高金屬切削加工性能需要退火、正火和回火；粗加工、時效和回火處理需要消除內部應力；加工后滲碳、淬火和回火需要改善機械性能。

2 碳素設備鋼鐵的熱處理技術工藝分析

2.1 消除應力退火

顧名思義，對鋼進行這種處理是為了減輕因鍛造、軋制、彎曲、沖壓、成形、焊接等制造工序而產生的鎖定應力。這個過程包括將受影響的金屬(完全或部分)加熱到低于相變范圍的溫度。通常在下臨界線(AC1)723℃(1333 ℉)以下進行均勻冷卻。典型的碳鋼應力釋放溫度為600 ～675℃(1000 ～1250 ℉)，持續足夠的時間將整個厚度浸泡到預定的時間，然后，在橫截面和表面均勻冷卻。顯然，應力釋放是一種時間溫度現象。這個過程可能包括在應力釋放溫度下的微觀或宏觀蠕變松弛。

2.2 恢復碳素鋼板的正常化操作工藝

恢復正常化的目標各不相同。它可以提高或降低鋼的強度和硬度，使晶粒均勻細化，降低殘余應力等。由此可見，這一過程也會改變前面討論過的性能。所有這些都依賴材料的加工過程，以及實際的加熱和冷卻循環。人們常常認為，它們與其他各種熱處理方式的功能相重疊，如退火、硬化和應力釋放。這個過程包括對鋼進行奧氏體化，然后，在靜止空氣中進行控制加熱。這一過程既是一種熱現象，也是一種微觀結構現象。正火是在高于上限臨界溫度(a3 線)55℃(100 ℉)的溫度下進行的，然后在靜止的空氣中冷卻。正火可以生產出更堅硬、更強韌的鋼，提高可加工性，改善和細化鑄造的樹枝狀組織，細化晶粒尺寸以改善后續熱處理工藝的反應。由于冷卻不是在平衡條件下進行的，所以與預測的相圖結構存在偏差。完全退火過程包括加熱到適當的溫度，然后，在爐內通過轉變范圍緩慢冷卻。

2.3 退火工藝

完全退火過程包括加熱到適當的溫度，然后，在爐內通過轉變范圍緩慢冷卻。退火的目的是生產細晶粒，誘導柔軟性，改善電性能和磁性能，有時改善機械加工性能。退火是一個接近平衡條件并且最接近于遵循相圖的緩慢過程。

2.4 球化工藝

在過共析鋼中，滲碳體網絡硬而脆，在加工過程中，必須被切削工具切斷。球化退火是為了生成球狀或球狀的碳化物，提高切削性能。球化處理包括在高溫下長時間地在鐵素體基體中生成球狀碳化物的結構。

2.5 回火工藝

回火包括將鋼材加熱到低于臨界溫度的一定溫度，從而消除殘余應力，提高鋼材的延展性和韌性。通常有一些犧牲的硬度和力量。隨著回火溫度的升高，硬度降低，韌性增加。但在200 ～430℃(400 ～800 ℉)溫度范圍內回火時，韌性下降。在此溫度范圍內，淬火過程中殘余應力得到了很大程度的釋放。某些合金鋼在回火溫度538 ～675℃(1000 ～1250 ℉)范圍內，隨后緩慢冷卻，會表現出回火脆性。鉬對回火脆性有一定的延緩作用。馬氏體是以體心四方結構捕獲碳的過飽和固溶體，屬亞穩態。當在回火過程中施加能量時，碳化物析出，鐵變成體心立方。隨著回火溫度的升高，碳化物發生擴散和聚合。

2.6 等溫淬火

碳鋼和低合金鋼在淬火之前是等溫淬火的。在等溫淬火過程中，需要注意的重要因素是，在整個鋼的截面上，加熱速率與保溫時間和冷卻速率的關系是次要的。鋼的導熱系數、截面厚度、間隔或堆放的爐膛裝料方式、爐膛的結垢或結垢氣氛、爐膛內的熱循環是影響回火工藝成敗的重要因素。

2.7 碳鋼的硬化操作

在緩慢或適中的冷卻速度下，碳原子有時間擴散出奧氏體(面心立方)結構，使鐵原子重新排列進體心立方晶格。這種相變是通過形核和生長發生的，并且具有時間依賴性。更快的冷卻速度不允許碳有足夠的時間擴散出溶液，而且結構不能隨著碳原子被俘獲而轉變為體心立方體。合成的結構ー馬氏體ー是以體心四方結構捕獲碳的過飽和固溶體。這是一個高度扭曲的結構，導致高硬度和強度。馬氏體原子的密集程度低于奧氏體原子，因此，在相變過程中發生了渦旋膨脹。結果表明，高局部應力使基體產生變形。在剪切作用下，奧氏體擴散較少，小體積的奧氏體突然改變晶體結構。它只在冷卻過程中進行，如果冷卻中斷則停止。馬氏體雖然可以在室溫或接近室溫下無限持續存在，但從來不處于平衡狀態。馬氏體最終分解為鐵素體和滲碳體。

2.8 液體鹽浴滲氮工藝

鹽浴滲氮又稱鐵素體氮碳共滲（FNC），是一種液鹽滲氮工藝，是一種常用的表面硬化技術。該工藝提供了表面硬度和耐腐蝕性的優點，同時，保持了鋼材芯部的延展性。氮化是一種熱化學反應，這一過程的結果是形成一層薄薄的鐵(epsilon 鐵)氮化物(Fe3N)外層。這種薄層的形成是由于在熔池環境中高濃度的氮與鋼鐵表面發生反應而形成的。氮化是一種流行的表面硬化技術，以其在相對較低的工藝溫度下提供的質量而聞名。如前所述，鹽浴硝化是實現這些結果的最流行的方法之一。在氮化前，組件必須徹底清潔和脫脂。任何來自磨削顆粒、油、金屬屑等的表面污染都被完全清除。任何這些表面瑕疵的存在都會導致氮化層不均勻的形成，這可能導致涂層剝落和腐蝕。經過清洗，零件被干燥和預熱，然后，轉移到實際的氮化環境，稱為氮化浴。各種氮化工藝的區別主要在于氮源和能源的供應。鹽浴、氣體和離子滲氮在投資成本、工藝時間、環境、安全和質量等方面具有不同的優勢。在許多情況下，得到的氮化或氮碳共滲表面的性能與生產過程無關。所需的滲氮層深度是由滲氮組分的應用決定的，它是時間和溫度的函數。這意味著，在一定程度上，這種深度可以通過時間和溫度的變化來控制和調節。鈦合金的競爭力在于其高強度重量比、耐熱性和耐腐蝕性。同時，表面硬度低、耐磨性差、抗高溫氧化性差是其主要缺點。氮化處理是改善摩擦學性能的方法之一。

2.9 熱處理爐的使用

現有多種不同種類的熱處理爐用于熱處理鋼。所需處理的類型、設備或部件的大小和形狀、工作量、生產量以及工作的經濟性是在確定某項工作使用哪種爐子時需要考慮的因素。批式或連續式爐子通常是生產量大的爐子的選擇。這些爐子裝有溫度控制裝置。它們還控制了爐膛的氣氛，這使得這些爐子在工作產量的質量上具有明顯的優勢。處理裝藥和從爐膛中提取并移動到下一個階段，如冷卻循環，移動到淬火槽等，通常是機械化的。熔爐可以是燃油、燃氣或電加熱的。它們可以進一步分為以下幾個類別：直接燃燒爐：在這種爐子中，鋼與燃燒的熱氣體直接接觸。半熔化爐：在這種類型的爐子里，氣體從部件上偏轉，只有熱量被允許在被熱處理的部件周圍循環。低溫爐：在這種爐子中，加熱氣體在一個分離的爐膛中燃燒，只有輻射熱才能與零件接觸。該爐具有控制零件周圍加熱環境的優點。而電爐可以被看作一種消聲器，消聲器中的電阻負責加熱。熱量在控制的環境中輻射到鋼中，以保護鋼和熱源免受氧化損傷。由于加熱源比燃氣或燃油加熱爐穩定得多，因此，可以更有效地控制和監測溫度。爐子環境中的氧化、結垢和脫碳也是通過引入氣體形成人工環境來控制的，這些氣體通常是主要還原性氣體的混合物，如一氧化碳(CO)或氫(H2)。一個折衷爐的關鍵優點是，零件出來時表面干凈，沒有氧化物，而且溫度控制要好得多。提高爐膛性能的機械附件有轉爐、轉鼓帶式輸送機和傾動爐缸機構。由于具有良好的溫度控制和環境控制，這些加熱爐經常用作釬焊爐。