万博体育平台网址从业40多年总结出的形变热处理

已浏览: 71次 日期:2020-06-17 作者:万博体育平台网址

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形变热处理亦称“热机械加工”。在机械制造过程中,将压力加工(辊、锻、轧)与热处理工艺有效地结合起来,则可同时发挥行变强化和热处理强化的双重作用,获得单一的强化方法所不能达到的综合力学性能。这种复合强化的工艺称为形变热处理。

除了能获得优异的力学性能外,形变热处理还可省去热处理的重新高温加热,从而节约大量能源、加热设备和车间面积,减少材料的氧化脱碳、畸变等热处理缺陷。因此,形变热处理工艺兼有优良强化效果与巨大的经济效益。以下列举形变热处理方法36例,供参考。

65Mn钢制355mm×98mm×33mm粉碎机锤头锻后余热淬火:始锻温度1050℃,终锻温度840~860℃,终锻后在空气中停留2~3s,淬入流动的自来水,180~200℃回火,表层10mm向内硬度可达50~55HRC,使用寿命较常规热处理提高50%以上。

55MnSi钢制錾子在2500N空气锤和专用的模子上锻造成形,高温形变温度为920~950℃,形变量为75%左右,终锻温度大约900℃,形变后30s内(视工件表面火色)迅速水淬油冷,220~270℃回火。形变热处理后的錾子硬度高、韧性好,使用寿命大大提高。

将230mm×120m质量约40kg的CrMn钢毛坯锻打成90mm×90mm×600mm方条,再根据环规尺寸下料。将坯料加热到1050~1150℃,适当保温在高温形变区内快速镦拔成形,其形变量为35%~40%,终锻温度920~900℃,立即投入到40~70℃油冷却,在油中冷40~60s,约100℃出油空冷,及时回火。环规表面硬度均≥62HRC。

使用45Mn2钢制直径70~100mm钢球,始锻温度约1200℃,终锻温度控制在1000~1050℃,根据钢球规格选择不同的预冷时间后水淬,150~180℃回火钢球表面硬度均≥57HRC,≥50HRC的硬化层深度均>20mm,满足了大规格钢球的使用要求。

1100~1200℃中频感应加热,从辊锻变形开始至淬火前约20s,犁铧不同部位的变形量为56%~83%,形变后淬热密度为1.30~1.35g/cm3的CaCl2水溶液中,淬火后进行460~480℃×3h回火,硬度40~45HRC。

直径60mm的40Cr钢制汽车转向节,1150~1200℃加热后始锻,终锻温度900~850℃,油冷,600℃×2h回火。利用锻造余热淬火,不仅节约能源降低成本,而且显著改善组织结构,提高材料力性能,尤其是冲击韧度的提高对汽车安全性意义更为重大。

模具的外形尺寸为70mm×20mm×10mm,在20mm宽度平面上分布有直径1.5mm、2.5mm、3mm小孔各20个,要求热处理后的孔距公差为±0.006mm,平面度<0.01mm硬度56~60HRC。

由于Cr12MoV钢的共晶碳化物偏析严重,经开坯轧制后有一定程度的破碎,但沿轧制方向仍呈带状分布,心部呈网状、块状和堆集分布,成为应力集中和裂纹源,并导致材料各向异性,同时也增加热处理畸变,采用锻热形变较好地解决了上述问题。具体工艺如下:始锻温度1050~1160℃,终锻850~950℃,趁热油冷,780℃×3h×2次回火。最终热处理工艺:600℃+850℃两次预热,1100~1160℃盐浴加热,800℃、450℃两次分级,280℃等温淬火,490~500℃×2h×2次回火。

最终热处理后的金相组织:马氏体+下贝氏体+弥散碳化粉+少量的残留奥氏体。其体积比容与锻热调质的索氏体接近,达到微变形,热处理后不用校直,畸变全部达到技术要求,硬度58~60HRC,合格率达99.99%。按上述工艺热处理的模具有高的耐热性、热硬性和耐磨性,使用寿命高。

五金工具中的扳手、起子、钳子、剪刀等手工工具是最早施行锻造余热淬火的,这也许是最早的形变热处理原形吧,将工具要淬火的部位放在焦炭炉加热,观其火色,即行锻造,有的需几火才能打到既定尺寸,最后一火锻造成形后不要空冷,根据材料,选择合适的冷却剂,然后放在炉边回火或采用自身余热回火,很少采用专用的回火炉。

该钢锻后缓冷易出现链状碳化物,导致模具脆断、龟裂或热裂失效,采用正火,可使M6C溶解,在空冷速度>15℃/min时,超过了形成链状碳化物的临界冷速,可消除链状碳化物并在球化退火后获得颗粒匀细分布的碳化物。推荐的正火温度为1130℃,经改锻正火冲击韧度值由26J/cm2提高到23J/cm2,寿命由原1500件提高到2000件以上。

高温形变正火是指工件在终锻后大约850℃,直接放到空气中散冷,不仅能使强度提高,而且钢的冲击韧度、抗磨及抗疲劳性都有大幅度提升,而且降低了钢的脆性转变温度。用20CrMnTi钢制锻坯外形尺寸为80mm×80mm×40mm,锻后空冷,控制好冷速,使力学性能大大提高,而且便于切削加工。国内某些机械公司,20CrMnTi钢汽车齿轮,采用锻造余热正火,生产1t齿轮即可节电300kW·h以上。

国内有些单位在高速钢停锻后立即放入早已升温到Ac1-(20~30)℃炉保温2~3h,炉冷至550℃,出炉空冷,筒化了工序,缩短了生产周期,节电70%~90%,降低生产成本,改善了劳动条件,提高了锻件质量,并有利于机械化操作。经过轧制、模锻等温加工的高速钢工件,不必沿用常规的退火工艺,可以参考本例。

木材加工行业使用的部分旋刀和刨切刀是用镶接法成形的。刀刃用5Cr8W2MoVSi之类的合金工具钢,刀体(或叫刀背)为45钢火Q235A钢,加热到刃钢的锻造温度,用轧机把刃钢和刀体焊接在一起,属于一种固相焊接法,压轧成规定尺寸,控制终轧温度,适时淬火冷却。这种方法制造出来的刀片省时省电,而且质量好,硬度高,寿命长。

轧热淬火是利用各种型材轧制后的余热进行淬火的热处理工艺。它的强化效果与锻热淬火相同。M2钢1220℃轧制(250型轧机,50r/min)成规定尺寸直接淬火,硬度均能达65HRC以上,车刀切削寿命均比盐浴淬火高。

国内某工具公司生产机用木工麻花钻,笔者施行形变热处理取得成功。通过高频加热装置,四辊热轧,奥氏体化温度950~1000℃,形变温度880~950℃,形变量30%左右,淬火剂为循环的两硝水溶液,水温<70℃,淬火后硬度≥54HRC,240~260℃×1h回火后硬度≥50HRC,符合技术要求,95%以上达到形变要求。

20MnSi钢螺纹钢筋需热轧供货,性能要求抗拉强度≥510MPa、抗弯强度≥335MPa、伸长率≥16%。60mm×60mm的方坯,轧制成直径16mm的螺纹钢筋。始轧温度1100~1200℃,轧制形变量约93%,终轧温度950~900℃,正好是该钢低碳马氏体淬火的温度,轧后水冷1~1.26s出水,550~600℃,利用本身的热量自回火。经上述轧热淬火回火工艺处理的钢筋,力学性能远远超过GB1499规定的数值,也超过英国BS4449标准规定的力学性能。

挤压形变温度1100~1200℃,回火温度570~580℃。硬度300~335HBW,力学性能抗拉强度≥1068MPa、抗弯强度≥960MPa、伸长率≥14.5%,符合部颁标准要求。实践告诉我们,对于像接头这样较大的工件进行挤压余热淬火,必须慎重选择形变温度、变形后淬火前的停留时间、淬火介质、工件在淬火介质中的冷却时间,回火温度等工艺参数。

840℃×2h油冷+200℃×2h回火是为了获得双细化组织。然后800℃超塑形变,形变速率2.5×10s、拉伸形变量250%,形变后油中冷却。超塑形变后测试了钢的抗弯强度与多冲寿命以及硬度等指标,结果表明,抗弯强度较常规处理提高28%,多冲寿命提高38.6%,硬度均≥60HRC,和常规淬火相当。

H11钢经常规淬火482℃两次回火后钢的抗弯强度为1852MPa,伸长率为12.5%。如果于低温形变淬火+482℃回火,再于316℃左右进行2%形变时效,最后再补充进行482℃回火。此工艺虽复杂一些,但使钢的抗弯强度值上升到2548MPa,提高37.5%,伸长率仍保持原来水平。

这种复合形变热处理是在高温形变淬火后,再在一定温度下进行少量的变形并回火的工艺。高温形变淬火后再进行马氏体形变时效,可使钢获得比其他任何热处理都高得多的强度性能。例如,50CrVA经常规淬火+200℃回火后,力学性能分别为:抗拉强度2119MPa、抗弯强度1497MPa、断面收缩率41.7%。经高温形变淬火+200℃回火+3%形变+200℃回火后的力学性能分别为:抗拉强度2597MPa、抗弯强度2254MPa,即高温形变淬火与马氏体形变时效相结合的复合形变热处理,使50CrVA钢的抗拉强度、抗弯强度分别提高了22.6%和50.7%。

嘉龙公司生产长度2m以上的刨切刀、旋切刀等机械刀片,在保护气氛炉中加热淬火出炉温度约500℃,待工件冷到200℃左右,利用相变超塑性的原理,在辊压机上往复滚压几次,弯曲10~15mm立刻就能校到直线度≤0.30mm,这种形变强化,不仅能校直好弯曲的刀片,还能使被滚压的表面产生约5mm深的残余压应力,有利于提高刀具的使用寿命。

该工艺是在工件冷变形后进行渗碳,由于冷变形产生了不少结构缺陷,可使渗碳过程加速。例如20CrNiMo经冷镦变形量25%,930~950℃×2h气体渗碳,渗层深度达0.84mm;若形变量50%,涂层可达0.88mm,形变量越大,渗层越深。

该工艺是工件在室温下冷形变后进行渗氮的复合热处理工艺。冷形变渗氮与冷形变渗碳不同;冷形变使渗氮速度减慢,渗层深度减薄,且随着形变量的增大,渗层减薄趋势越明显。产生这种现象的原因可能是氮原子对位错的钉扎作用(或位错对氮原子的陷阱作用),阻碍了氮原子的扩散作用。但使冷形变渗氮却可使纯铁的强韧性升高。渗氮温度及保温时间视钢种而定,如38CrMoAl钢和20钢分别为650℃和550℃。

该工艺是工件在室温形变后进行渗硼的复合热处理工艺。例如20钢制工件于温室轧制形变,随后进行900℃保温和不同的加热速度固体渗硼。试验表明,冷形变可明显增大渗硼层深度。最大渗层深度所对应的最佳形变量随加热速度和渗硼保温时间而异。产生这种现象的原因是由于钢的冷形变组织加速了钢件表面对硼原子的吸附过程所致。

冷形变碳氮共渗是在室温形变后进行中温碳氮共渗的复合热处理工艺。表面处理前的冷处理,对钢的碳氮共渗过程有明显的影响,其作用是提高表面的C、N含量,以及在最佳形变量时增大渗层的厚度,例如:20CrMnTi钢冷轧形变量为15%时,860℃×2h、860℃×4h碳氮共渗的厚度分别为0.65mm和0.80mm。

室温形变除对间隙原子在钢中的扩散过程有影响外,还对置换型原子在钢的渗入过程产生影响。例如:对冷形变后的16Mn钢进行渗钛,考查了冷形变对固体渗钛过程的影响,试验表明,渗钛温度为900~950℃,30%的形变量最佳,随着渗钛温度的提高,保温时间的延长,渗层越厚。

该形变热处理工艺是将工件坯料加热到始锻温度改锻,随即放入渗碳炉中渗碳,然后直接淬火。锻热渗碳淬火可以节约渗碳时工件加热所需的电能,并能提高渗碳速度、表层硬度和耐磨性,适合于中等模数的齿轮,以及其他类型的渗碳工件。

9SiCr钢制圆板牙热处理硬度要求62~65HRC,常规热处理860~880℃盐浴加热淬火,150~180℃回火,发黑出厂。一般情况下,为提高刀具硬度、耐磨性可采用表面化学热处理,但是化学热处理的工艺温度至少得400℃,对9SiCr钢制工具,显然是不合适的,而渗氮淬火解决了这个难题。

先在LD60kW离子氮化炉中渗氮,然后在100kW中温盐浴炉中加热,油冷,冷处理,最后150~180℃回火。经检测,距表面0.10~0.80mm,硬度>927HV5,峰值硬度974~986HV5。0.20~0.60mm处硬度≥857HV5,并提高硬化区的抗回火性能,延长了板牙的使用寿命。

形变热处理工艺的应用极为广泛。从加工对象的角度看,它适用于各种碳钢、合金钢、合金结构钢、镍基合金等几乎所有的金属材料。从加工方法上看,它能使两者结合起来,达到对零件及韧性等方面的特殊要求,从而使形变构件质量,寿命得到很大提升。形变热处理前途光明。