鍛壓及熱處理工藝模擬的案例
鍛造工藝和熱處理工藝對TC4-DT合金鍛件組織性能影響
本文主要對TC4-DT 鈦合金鍛造工藝、熱處理工藝、微觀組織和力學性能之間的關系進行了研究，利用光學金相組織觀察、力學性能測試等研究手段，總結出不同鍛造工藝和熱處理工藝對該合金的組織和性能的影響規律。
TC4-DT 作為適應現代材料科學發展的一種損傷容限合金，必須具備良好的綜合力學性能。鈦合金的性能和其組織形態關系密切，鈦合金的組織形態往往是由冶煉與后續的鍛造工藝和熱處理工藝決定的。鈦合金的熱處理強化的基本原理，既與鋁合金相似，屬于淬火時效強化類型，又與鋼的熱處理相似，也有馬氏體相變。
TC4-DT 合金的力學性能主要由冶煉過程、鍛造過程和熱處理過程決定。通過不同的鍛造和熱處理工藝可以獲得不同顯微組織的TC4-DT 合金，以獲得最優的強度、塑性、斷裂韌性，以滿足不同的使用要求。因此，探討TC4-DT 鈦合金的鍛造與熱處理工藝與顯微組織、力學性能之間的關系有著重要的意義。
TC4-DT 鍛造原材料
TC4-DT 原材料化學成分
鍛造用原材料(棒料)為西部超導提供的直徑d為300mm 的720℃退火態的車光棒，采用金相法測得該批TC4-DT 原材料的β 相變點為(970±5)℃。原材料化學成分見表1。
表1 TC4-DT 原材料化學成分(wt%)
TC4-DT 原材料超聲波探傷
由表2 可知，鍛造用TC4-DT 原材料超聲波探傷結果未見超標單顯，但雜波水平超標，φ1.2mm 平底孔半聲程雜波水平為-2dB ～+2dB，判定為組織不均勻造成的散射混響引起輕微的雜波水平超標。
表2 TC4-DT 原材料超聲波探傷標準
注：中心指示間距≤25.4mm；指示長度≤12.7mm。
TC4-DT 鍛件自由鍛工藝研究
鍛造工序后的鍛件尺寸要求見圖1，鍛造成形工步采用α+β 常規兩相區鍛造。
展開 熱處理工藝
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。
應用要點：1.適用于合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼的鍛件、焊接件以及供應狀態不合格的原材料；2.一般在毛坯狀態進行退火 。
2.正火
操作方法：將鋼件加熱到Ac3或Accm 以上30~50度，保溫后以稍大于退火的冷卻速度冷卻。
目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。
應用要點：正火通常作為鍛件、焊接件以及滲碳零件的預先熱處理工序。對于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素結構鋼及低合金鋼件，也可作為最后熱處理。對于一般中、高合金鋼，空冷可導致完全或局部淬火，因此不能作為最后熱處理工序。
3.淬火
操作方法：將鋼件加熱到相變溫度Ac3或Ac1以上，保溫一段時間，然后在水、硝鹽、油、或空氣中快速冷卻。
目的：淬火一般是為了得到高硬度的馬氏體組織，有時對某些高合金鋼（如不銹鋼、耐磨鋼）淬火時，則是為了得到單一均勻的奧氏體組織，以提高耐磨性和耐蝕性。
應用要點：1.一般用于含碳量大于百分之零點三的碳鋼和合金鋼；2.淬火能充分發揮鋼的強度和耐磨性潛力，但同時會造成很大的內應力，降低鋼的塑性和沖擊韌度，故要進行回火以得到較好的綜合力學性能。
4.回火
操作方法：將淬火后的鋼件重新加熱到Ac1以下某一溫度，經保溫后，于空氣或油、熱水、水中冷卻。
目的：1.降低或消除淬火后的內應力，減少工件的變形和開裂；2.調整硬度，提高塑性和韌性，獲得工作所要求的力學性能；3.穩定工件尺寸。
展開 不同的熱處理工藝有什么區別？
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什么時候需要熱處理？
客戶下達訂單后，由鋸切車間根據客戶需求，切割尺寸大小的模具鋼，后至機加工進行一系列打磨或者機銑工作。
根據需求或粗加工成型模具返廠熱處理，根據不同材質需求，選擇不同工藝進行熱處理。
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熱處理工藝分類
今天我們分享的熱處理工藝包含：淬火、回火、氮化、深冷、氧化等工藝。那么這些工藝都是什么意思呢？
DEFORM熱處理工藝 ￥2.99
此案例是一個齒輪的熱處理工序，包含淬火、滲碳、回火等過程。零件如圖1所示，考慮到零件的周期對稱特點，這里取半個齒進行分析，如圖2所示。 圖1 齒輪零件 圖2 半齒模型
5個階段熱處理方案如下：
（1）在550℃預熱半小時（1800s）；
（2）在850℃滲碳2h（7200s）；
（3）在100℃油淬火20min（1200s）；
（4）在280℃回火1h（3600s）；
（5）在空氣中冷卻1h（3600s）。
熱處理工藝的制定
第一節 熱處理工藝制定
熱處理工藝是指熱處理作業的全過程，包括熱處理規程的制定、工藝過程控制與質量保證、工藝管理、工藝工裝(設備)以及工藝試驗等，通常所說的熱處理工藝就是指工藝規程的制定。
熱處理工藝規程的編制是工藝工作中最主要、最基本的工作內容，確切地說工藝規程的編制屑于工程設計的范疇。制定正確、合理的熱處理工藝必須從企業實際出發，考慮企業從事熱處理工作的人員素質、管理水平、生產條件等，依據相關的技術標準和資料以及質量保證和檢驗能力，設計編制出完善、合理的熱處理工藝。
完善合理的熱處理工藝不但能優質高效地生產出合格的產品，而且能降低生產成本，提高企業的經濟效益。
一、熱處理工藝制定原則
熱處理工藝制定應遵循以下原則。
(1)工藝的先進性 先進的熱處理工藝是企業參與市場競爭的實力和財富，具備領先于其他企業的熱處理工藝技術，能以少的投入獲得最佳的熱處理質量。
(2)工藝的合理性 熱處理工藝制定應最大限度避免產生熱處理缺陷，實現工藝流程短，工人易掌握，操作簡單，產品質量穩定。
(3)工藝的可行性 根據企業的熱處理條件、人員結構素質、管理水平制定的熱處理工藝才能保證在生產中正常運行。
(4)工藝的經濟性 工藝應充分利用企業現有條件，力求流程簡單、操作方便，以最少的消耗獲取最佳的工藝效果。
(5)工藝的可檢查性 現代質量管理要求，熱處理屬特種工藝范疇，工藝過程的主要工藝參數必須具備追索性，對產品處理質量追索查找，因此工藝應具備可檢查性。
(6)工藝的安全性 工藝要有充分的安全可靠性，遵守安全規則，不成熟的工藝要經試驗驗證鑒定后方可編入。
(7)工藝的標準化 標準化工作是企業的基礎，標準化工作在熱處理中也是必不可少的，是工藝質量的保證。
各熱處理工藝制定原則的要素與內容見表8—1。
展開 鋼的熱處理工藝PPT
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金屬材料力學性能與熱處理工藝知識
鋼材疲勞強度經驗公式:
σ-1= (0.45～0.55)σb
或 σ-1= 0.27(σs+σb）
σ-1p= 0.23(σs+σb）
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熱處理工藝
定義：將固態金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內部組織結構發生變化，獲得所需要性能的工藝。
目的：一是改善材料工藝性能，確保后續加工順利進行，這種熱處理稱為預先熱處理；二是提高材料使用性能，延長零件使用壽命，這種熱處理稱為最終熱處理。
熱處理分類：
普通熱處理（四火：退火、正火、淬火、回火）
表面熱處理 （表面淬火、化學熱處理）
其他熱處理（真空熱處理、形變熱處理等）
共析鋼在加熱時的組織轉變
珠光體向奧氏體轉變過程四步：
（1）奧氏體形核；
（2）奧氏體長大；
（3）剩余Fe3C溶解；
（4）奧氏體均勻化。
鋼在冷卻時的組織轉變
奧氏體的冷卻轉變：奧氏體在臨界點A1以上是穩定相，冷卻至A1以下就成了不穩定相，要發生組織轉變。
重要性：決定了鋼熱處理后的組織和性能。同一種鋼，加熱溫度和保溫時間相同，冷卻方法不同，熱處理后的性能截然不同。
展開 模具鋼材的熱處理工藝
[整體熱處理]：對工件整體進行穿透加熱的熱處理。
[方法]：主要有退火、正火、淬火和回火等。
根據在一般零件的加工工藝路線中所處的位置和作用，熱處理可分為預備熱處理更長最后熱處理。一般零件的工藝路線為：毛坯（鑄造或鍛造）→退火或正火→機械（粗）加工→淬火+回火（或表面熱處理）→機械（精）加工。退火與正火常作為預備熱處理，其目的是為消除毛坯的組織缺陷，或為以后的加工作準備；淬火和回火工藝配合可強化鋼材，提高零件或工具的使用性能，可作為最終熱處理。
45鋼經不同熱處理后的性能
熱處理方法 力學性能率 σb(MPa) σs(MPa) δ(%) ψ(%) Ak(J)
退火（隨爐冷卻） 600~700 300~350 15~20 40~50 32~48
正火（空氣冷卻） 700~800 350~450 15~20 45~55 40~64
淬火（水冷）、低溫加回火 1500~1800 1350~1600 2~3 10~12 16~24
淬火（水冷）、高溫回火 850~900 650~750 12~14 60~66 96~112
一、退火
[退火]：是將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。
[常用退火方法]：完全退火、球化退火、去應力退火等
[目的]：根據不同情況，退火的作為可歸納為降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；均勻鋼的化學成分和組織；消除內應力等。
展開 熱處理工藝的基本原理
熱處理是將材料(主要是金屬材料)在固態下采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構與性能的工藝。
熱處理作為機器零件與工具制造過程中的重要加工工藝，其目的不是改變材料的形狀，而是通過改變金屬材料的組織和性能來滿足工程中對材料的服役性能和加工要求，所以，選擇正確的、先進的熱處理工藝對于挖掘金屬材料的性能潛力、改善零件使用性能、提高產品質量，延長零件的使用壽命、節約材料具有重要的意義；同時，還對改善零件毛坯的工藝性能以利于冷熱加工的進行起著重要的作用。因此，熱處理在機械制造行業中被廣泛地應用，例如，汽車、拖拉機行業中需要進行熱處理的零件占70％一80％；機床行業中占60％～70％；軸承及各種模具則達到100％。
第一節 鋼在加熱時的轉變
鋼之所以能進行熱處理，是由于鋼在固態下能發生相變，但某些純金屬和合金由于不具有這一特性而不能用熱處理的方法強化。金屬與合金在加熱或冷卻過程中發生相變的溫度稱為相變點，又稱臨界點。根據Fe-FeaC相圖可知，共析鋼在加熱或冷卻過程中經過PSK線(A1)時，發生珠光體與奧氏體之間的相互轉變；亞共析鋼經過GS線(A，)時，發生先共析鐵索體完全溶入奧氏體或先共析鐵素體開始從奧氏體中析出的轉變；過共析鋼經過ES線(Acm)時，發生先共析滲碳體完全溶人奧氏體或先共析滲碳體開始從奧氏體中析出的轉變。 Al、A3、ACm稱為碳素鋼加熱或冷卻過程中的相變點。但是，Fe-FesC相圖上反映出的相變點A1、Az、A，是平衡條件下的固態相變點，即在非常緩慢加熱或冷卻條件下鋼發生組織轉變的溫度。實際上，鋼在熱處理時的組織轉變并不是在平衡相變點發生的，大多有不同的滯后現象，實際相變點與平衡相變點的溫度差稱為過熱度(加熱時)或過冷度(冷卻時)。
展開 熱處理工藝過程卡
熱處理工藝過程卡
熱處理工藝過程卡.pdf
熱處理基本知識及工藝原理
熱處理基本知識及工藝原理
高速重載齒輪的熱處理工藝
該材料在滲碳處理后，表層的碳及其他合金元素大量溶入到奧氏體中，顯著提高了奧氏體的合金化程度，其滲碳層與心部的馬氏體轉變點(Ms)為310℃，而滲碳層的馬氏體轉變點(Ms)降至80～90℃，這樣就大大提高了過冷奧氏體的穩定性，經滲碳空冷后表層組織為馬氏體及大量殘留奧氏體，從而影響淬火后的硬度。要消除大量殘留奧氏體，不能像一般低合金滲碳鋼那樣采用直接淬火法，相反，經二次淬火反而使殘留奧氏體增多導致硬度下降。對這類高合金滲碳鋼有其獨特的處理方法，即滲碳后于650℃高溫回火。回火時，在一定的溫度下，從殘留奧氏體中析出碳化物的過程是一個原子的擴散過程。溫度越高越有利于擴散，析出碳化物增多，使殘留奧氏體的過飽和度減小，有利于殘留奧氏體轉變。但回火溫度也不能太高，因為高碳表面層的A，溫度約為700℃，過高的回火溫度容易引起相變，反而使奧氏體中溶入更多的碳和合金元素，提高了奧氏體的穩定性，增加殘留奧氏體量。
（4）熱處理技術要求分析
根據以往齒輪公法線及花鍵M值的變形規律，初步確定滲碳淬火前公法線留余量0.4mm，M值熱前控制在M(∮2)=46.86-46.93，熱處理層深按1.0～1.3mm控制，為控制花鍵的變形量，確定零件滲碳，高溫回火后插花鍵再進行淬火的工藝，且在粗加工后將零件調質至30～35HRC，這樣既有助于改善切削性、提高零件表面加工精度，又能最大限度地減少粗加工中產生的殘余應力，為后期的滲碳、淬火提供良好的條件，從而控制變形量。經綜合分析最終確定零件的主要工藝流程為粗加工→調質處理→精加工→滾齒→滲碳淬火，高溫回火→車碳層→插花鍵→淬火，低溫回火→精磨(外齒輪)。
2.生產工藝結果與討論
（1）熱處理生產工藝
檢查試樣用同爐的∮32mm和∮16mm的圓棒試樣，∮32mm圓棒試樣用于檢測心部硬度，∮16mm的圓棒試樣用于檢測淬硬層深。
展開 金屬材料力學性能和熱處理工藝
鋼材疲勞強度經驗公式:
σ-1 = (0.45～0.55)σb
或 σ-1 = 0.27(σs+σb）
σ-1p = 0.23(σs+σb）
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熱處理工藝
定義：將固態金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內部組織結構發生變化，獲得所需要性能的工藝。
目的：一是改善材料工藝性能，確保后續加工順利進行，這種熱處理稱為預先熱處理；二是提高材料使用性能，延長零件使用壽命，這種熱處理稱為最終熱處理。
發動機曲軸熱處理工藝開發
表2 42CrMoH曲軸非金屬夾雜物
表3 42CrMoH曲軸低倍組織
表4 42CrMoH曲軸技術要求
圖2 42CrMoH曲軸取樣示意圖
熱處理工藝分析及工藝試驗
工藝分析
⑴材料分析。
42CrMoH屬于淬透性較高的優質合金結構鋼，強度高、韌性好，淬火變形小，熱處理后能夠獲得優良的綜合機械性能。
⑵熱處理方式及冷卻選擇。
考慮到42CrMoH具有優良的淬透性，雖然曲軸形狀復雜且在實物指定部位雙倍取樣進行機械性能、金相等試驗難度較高，但綜合考慮，熱處理采用爐溫均勻性達到±10℃以內的臺車式電爐進行加熱保溫，先正火以優化鍛后組織，再進行調質處理，淬火采用油冷，回火采用水冷。
⑶裝爐、變形要求。
曲軸總長549mm，兩端及各平衡塊間截面在35～95mm范圍內變化較大，要求熱處理后曲軸的直線度不大于1.2mm，否則要冷校直并去應力回火，裝爐方式采用曲軸平放于專用工裝內，以減少熱處理變形。
表5 42CrMoH曲軸工藝試驗結果
圖3 42CrMoH曲軸裝爐示意圖
工藝試驗
42CrMoH原材料為用戶來料，由于試鍛原材料不足，且急于驗證鍛造質量，所以鍛造的四件曲軸中兩件42CrMoH，兩件42CrMoA。采用電爐與其他產品配爐熱處理，分別進行實物解剖及相關試驗以作對比。
由于曲軸指定拉伸試棒取樣部位較窄，只能取兩套直徑為φ5mm的拉伸試棒，得到的機械性能及金相組織等數據見表5。
展開 熱處理新工藝新設備
第一節真空熱處理
1968年前后，美國海斯公司和日本真空研究所研制出了真空淬火劑，制成油冷和水冷式真空爐，解決了真空熱處理后油中或水中淬火的問題。因此，真空熱處理的范圍就擴大了。由原來只用于稀有金屬、磁性材料、半導體材料的退火，白硬鋼淬火和有色金屬和合金鋼焊接外，擴大到用于工具鋼、不銹鋼、時效硬化鋼以及碳鋼、合金鋼的熱處理和化學熱處理。
真空熱處理無污染，無氧化脫碳，變形小，為鹽浴加熱變形量的1／5—1／10。這主要是由于加熱均勻、升溫緩慢所致。加工余量可以減小，由于在真空中加熱，零件中存在，的有害雜質、氣體等均可除去，提高了性能和使用壽命。如AISl430不銹鋼螺栓，真空加熱比氫氣保護下加熱強度提高25％。模具的壽命可提高40％。真空滲碳溫度可達1000~C以上，擴散期只需一般氣體滲碳的1／5，所以整個滲碳時間町以顯著縮短，滲層均勻，有效層厚。對形狀復雜、小孔多的工件滲碳效果更為顯著。
近年來，真空熱處理技術在許多工業國家均有迅速的發展，現有的真空熱處理爐多為周期作業爐，形狀有立式、臥式、臺車式數種。多屑冷壁爐，真空度為o．0133Pa(1Xlo 4mmHg)，現在較為先進的有連續作業三室真空爐，裝爐量可達388kg，生產率可達200kg／h。但國外的一些學者對真空熱處理提出不同的看法，他們認為真空熱處理在經濟上是不合算的。因為真窄熱處理原來是處理鈦合金等高溫活潑金屬而采用的。處理普通金屬模具，加熱溫度一般不超過1050℃，熱輻射很小，加熱效率低(因真空中沒有熱的傳導)。因此目前有采用抽真空o．0133Pa后，爐內再充人純氮進行加熱。此外，也可以排除因為高溫加熱零件的鉻和鋁升華。
一、真空熱處理的一般概念
1．真空及其度量
真空不是沒有一點空氣，而是在一個空間內，氣體的大氣壓力低于一個大氣壓的狀態。可廣義地理解為氣體極為稀薄的空間。
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