精密鑄造熱處理的案例
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帶內(nèi)螺紋精密零件的熱處理畸變有限元仿真
摘 要：帶內(nèi)螺紋的精密零件在經(jīng)歷淬火-低溫回火的熱處理后發(fā)生了輕微的畸變，但是對(duì)于精密工程而言(如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等),這些輕微畸變將會(huì)導(dǎo)致后續(xù)在裝配過(guò)程出現(xiàn)無(wú)法裝配的嚴(yán)重后果。使用有限元軟件及其子程序，考慮了應(yīng)力影響相變和相變塑性，計(jì)算得到了熱處理過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，以及熱處理后的殘余應(yīng)力分布和零件畸變，該畸變與生產(chǎn)過(guò)程中的裝配結(jié)果所顯示的畸變基本一致。針對(duì)裝配困難問(wèn)題，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出了一些改進(jìn)生產(chǎn)工藝控制零件畸變的建議。
關(guān)鍵詞：內(nèi)螺紋;熱處理畸變;淬火-回火;有限元仿真;
熱處理對(duì)于鋼制零件的加工來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的最終加工工藝，被用來(lái)改進(jìn)材料的力學(xué)性能[1]。熱處理之后，材料的性能會(huì)發(fā)生變化， 零件也可能產(chǎn)生畸變。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)量這些畸變，花費(fèi)了大量人力財(cái)力，提出了許多方法，但是目前仍很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱處理畸變。有限元仿真方法通過(guò)基于物理模型的數(shù)值計(jì)算可以給出每一個(gè)時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組織場(chǎng)，給企業(yè)科研人員的生產(chǎn)決策提供理論基礎(chǔ)，在熱處理研究中越來(lái)越成為強(qiáng)有力的分析工具。
控制零件的性能和形狀是熱處理的首要目標(biāo)。當(dāng)前很多學(xué)者對(duì)熱處理過(guò)程的有限元分析做了大量的工作。日本的Gur and Tekkaya開發(fā)了有限元新模型用來(lái)計(jì)算軸對(duì)稱零件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)[2]。Caner Simsir等使用三維有限元軟件模擬了淬火過(guò)程，并且研究了考慮殘余應(yīng)力對(duì)軸對(duì)稱零件熱處理過(guò)程數(shù)值計(jì)算的影響[3]。Fukumoto等[4]通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)螺旋齒輪的滲碳和淬火過(guò)程的畸變進(jìn)行了研究。Lee等[5]研究了熱處理過(guò)程的力學(xué)性能變化，并使用ABAQUS軟件對(duì)HSLA鋼的熱處理過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真。
展開 鑄造熱處理
對(duì)于鑄造工程師以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師而言，熱處理事一項(xiàng)非常有意義，而具甚高價(jià)值用以改進(jìn)材料品質(zhì)的方法，借熱處理可以改變或影響鑄鐵的組織及性質(zhì)，同時(shí)可以獲得更高的強(qiáng)度、硬度，而改善其磨耗抵抗能力等等。
由于目的不同熱處理的種類非常多，基本主要可分成兩大類，第一類是組織構(gòu)造不會(huì)經(jīng)由熱處理而發(fā)生變化或者也不應(yīng)該發(fā)生改變的，第二則是基本的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化者。第一熱處理程序，主要用于消除內(nèi)應(yīng)力，而此內(nèi)應(yīng)力系在鑄造過(guò)程中由于冷卻狀況及條件不同而引起。組織、強(qiáng)度及其它機(jī)械性質(zhì)等，不因熱處理而發(fā)生明顯變化。對(duì)于第二類熱處理而言，基地組織發(fā)生了明顯的改變，可大致分為五類：(1)軟化退火：其目的主要在于分解碳化物，將其硬度降低，而提高加工性能，對(duì)于球狀石磨鑄鐵而言，其目的在于獲得具有甚高的肥力鐵組織。(2)正常化處理：主要用改進(jìn)或是使完全是波來(lái)鐵組織的鑄品獲得均勻分布的機(jī)械性質(zhì)。(3)淬火：主要為了獲得更高的硬度或磨耗強(qiáng)度，同時(shí)的到甚高的表面耐磨特性。(4)表面硬化處理：主要為獲得表面硬化層，同時(shí)得到甚高的表面耐磨特性。(5)析出硬化處理：主要是為獲得高強(qiáng)度而伸長(zhǎng)率并不因而發(fā)生激烈的改變。
(1)鑄鐵之種類：
鑄鐵可以當(dāng)作是一種在基地上含有高硅與高碳成分的鋼，同時(shí)有石墨與雪明碳鐵散布在基地內(nèi)部，此石墨與雪明碳鐵系在凝固過(guò)程中晶析出來(lái)，而此類析出物可以稱為共晶石墨或共晶碳化物。基地內(nèi)主要含石墨者稱之為灰鑄鐵，主要含雪明碳鐵者稱之為白鑄鐵，如果在基地內(nèi)，同時(shí)含有石墨與雪明碳鐵，一般可稱之為混合式鑄鐵。白鑄鐵由于具有很高的硬度與脆性，所以用途較少，主要還是用于耐磨材料。灰鑄鐵的主要性質(zhì)，是共晶石墨的形狀與大小而定，而這些石墨無(wú)法經(jīng)由熱處理予以改進(jìn)。事實(shí)上，具有非常低的強(qiáng)度及硬度。
展開 鑄造熱處理安全技術(shù)
這就需要在機(jī)械加工中通過(guò)一定溫度的加熱、一定時(shí)間的保溫和一定速度的冷卻，來(lái)改變金屬及合金的內(nèi)部機(jī)構(gòu)（組織），以其改變金屬及合金的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，這種方法就叫作熱處理。進(jìn)行這項(xiàng)工作時(shí)，工人經(jīng)常與設(shè)備和金屬件接觸，因此必須認(rèn)真掌握有關(guān)安全技術(shù)，避免發(fā)生事故。 （一）熱處理工序主要加熱設(shè)備。熱處理工序中的主要設(shè)備是加熱爐，可以分為燃料爐的電爐兩大類。
1.燃料爐。以固體、液體和氣體燃燒產(chǎn)生熱源，如煤爐、油爐和煤氣爐。它們靠燃燒直接發(fā)出的熱能量，大都屬一次能源，價(jià)值經(jīng)濟(jì)、消耗低，但容易使工件表面脫碳和氧化。常用于一般要求的加熱工件和材料熱處理中，如回火、正火、退火和淬水。
2.電爐。以電為熱能源，即二次能源。按其加熱方法不同，又分為電阻爐和感應(yīng)爐。根據(jù)加熱工件和材料不同，按工藝要求應(yīng)配備不同形式的電加熱爐。
（1）電阻爐。主要由電阻體作為發(fā)熱元件和電爐。根據(jù)熱處理工藝的要求，可進(jìn)行退火、正火、回火、淬火、滲碳氧化和氮化，也可解決無(wú)氧化問(wèn)題。
（2）感應(yīng)爐。通過(guò)電磁感應(yīng)作用，使工件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，將工件迅速加熱。感應(yīng)爐加熱是熱處理工藝中的一種先進(jìn)方法，主要用于表面熱處理淬火，后來(lái)逐步擴(kuò)大為用于正火、淬火、回火以及化學(xué)熱處理等，特別是對(duì)于一些特殊鋼材和有特殊工切要求的工件應(yīng)用較多。
（二）熱處理操作的一般安全要求
1.操作前，首先要熟悉熱處理工藝規(guī)程和所要使用的設(shè)備。
2.操作時(shí)，必須穿戴好必要的防護(hù)用品，如工作服、手套、防護(hù)眼鏡等。
3.在加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備之間，不得放置任何妨礙操作的物品。
4.混合滲碳劑、噴砂等就在單獨(dú)的房間中進(jìn)行，并應(yīng)設(shè)置足夠的通風(fēng)設(shè)備。
5.設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)（如電爐的電源引線、匯流條、導(dǎo)電桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等），應(yīng)當(dāng)用鐵絲網(wǎng)、柵欄、板等加以防護(hù)。
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鑄造熱處理綜合區(qū)開通
經(jīng)過(guò)一段的時(shí)間的籌劃，鑄造熱處理綜合區(qū)版現(xiàn)已開通！
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展開 鑄造熱處理綜合區(qū)版現(xiàn)招募正副版主
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重復(fù)補(bǔ)焊和熱處理對(duì)低壓鑄造ZL104合金力學(xué)性能和組織的影響
1次、2次、3次焊接熱處理后與未焊接試樣相比，抗拉強(qiáng)度分別降低8.4%、13.1%、20.3%，伸長(zhǎng)率分別降低14.1%、34.3%、52.1%。但多次補(bǔ)焊和熱處理的試樣抗拉強(qiáng)度、硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，這是由于低壓鑄造使鋁合金的性能大幅度提高，可以改善流線缺陷對(duì)鋁合金性能的不利影響。
硬度試驗(yàn)
未補(bǔ)焊試樣熱處理后硬度（HB）最高達(dá)到98，補(bǔ)焊次數(shù)越多，硬度越低，3次補(bǔ)焊試樣熱處理后硬度（HB）最低，只有86，比母材下降了12.2%，補(bǔ)焊并熱處理后合金硬度仍明顯高于HB9622001標(biāo)準(zhǔn)要求。
展開 整機(jī)丨621所：航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基鑄造高溫合金及熱處理工藝研究
鎳基鑄造制備高溫合金材料零部件方式，能夠在性能及處理方式上，滿足各個(gè)領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)對(duì)原材料的要求。除此之外，熱處理是高溫合金生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的工藝，能夠通過(guò)改變合金的微觀組織來(lái)提升合金的耐熱性、抗腐蝕性等性能，在鎳基鑄造高溫合金制備零部件的過(guò)程中，熱處理工藝地位重要。文章介紹了鎳基鑄造高溫合金的發(fā)展歷程和熱處理技術(shù)及其對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響，闡述了鎳基鑄造高溫合金熱處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。
鎳基鑄造高溫合金是指以鎳為主要成分，以鑄造方法直接制備零部件的高溫合金材料。其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、疲勞穩(wěn)定性和斷裂韌性以及良好的耐蠕變穩(wěn)定性等綜合力學(xué)性能，可以在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期安全運(yùn)行，廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車行業(yè)、燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、整體葉盤、機(jī)匣等高溫部件。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)合金材料性能的要求也大幅提高。針對(duì)原材料性能提升以及初步處理工作的改善，已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中的主要趨勢(shì)。熱處理是鎳基鑄造高溫合金改善性能必要的工藝過(guò)程，通過(guò)改變鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形貌和分布或改變鑄件表面化學(xué)成分，可以提高鑄件的綜合力學(xué)性能、消除鑄造應(yīng)力，或提高鑄件的耐腐蝕性能。本文主要論述了鎳基鑄造高溫合金及其熱處理工藝技術(shù)的研究進(jìn)程，并對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)和分析，對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望，為后續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。
1 鎳基鑄造高溫合金的發(fā)展歷程
鎳基鑄造高溫合金是高溫合金領(lǐng)域中的重要組成部分，在各類精密鑄件生產(chǎn)過(guò)程中具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，其主要原因就是這種材料耐高溫、高抗氧化和耐腐蝕性的性能。早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在20 世紀(jì)50 年代后期，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件的承溫能力要求越來(lái)越高，這就對(duì)高溫合金的強(qiáng)度和使用溫度提出了更高的要求。
展開 鑄造人入門必知，金屬熱處理中最典型的“四把火”工藝
在金屬冶煉過(guò)程中，同樣的原材料配比，采用不同的熱處理工藝，會(huì)得到組織結(jié)構(gòu)和物理性能各異的產(chǎn)品，導(dǎo)致在直讀光譜儀上測(cè)試時(shí)得到不同的測(cè)試結(jié)果。所以在用直讀光譜儀測(cè)樣時(shí)，一般建議用戶使用對(duì)應(yīng)的標(biāo)樣進(jìn)行類型校準(zhǔn)。
通過(guò)學(xué)習(xí)熱處理中最為典型的“四把火”工藝，我們可以大致了解樣品中的組織結(jié)構(gòu)和物理性能差異。
熱處理工藝過(guò)程
一、退火
將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，然后使它隨爐緩慢冷卻的熱處理方法，稱為退火。退火得到的組織通常是珠光體和鐵素體。退火的目的，是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化，細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力。同時(shí)，退火可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。退火可以消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，大多屬于半成品熱處理，或稱作預(yù)備熱處理。
退火絲是利用退火工藝生產(chǎn)典型金屬制品，如下圖。退火絲是用低碳鋼冷拔、加熱、恒溫、保溫等工藝而成的一種軟質(zhì)鐵絲產(chǎn)品。鐵絲按用途不同，成分也不一樣。將熾熱的金屬坯軋成6.5mm粗的鋼條也就是盤條，再將其放入拉絲裝置內(nèi)拉成不同直徑的線，并逐步縮小拉絲盤的孔徑，進(jìn)行冷卻、退火、涂鍍等加工工藝制成各種不同規(guī)格的鐵絲。
退火絲
二、正火
正火是將鋼加熱到某溫度以上，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法，得到的組織通常是索氏體。它能消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對(duì)亞共析鋼正火可細(xì)化晶粒，提高綜合力學(xué)性能。
正火與退火的不同點(diǎn)是正火冷卻速度比退火冷卻速度更快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)小一些，其力學(xué)性能也有所提高。
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