熱處理工藝路線的案例
金屬所《Acta Materialia》：新型熱處理工藝！制備高強(qiáng)韌低溫工程用鋼
圖7 低溫斷裂特征及韌化機(jī)制：（a, b）新型實驗鋼韌性沖擊斷口形貌，（c）常規(guī)熱處理實驗鋼脆性沖擊斷口形貌；（d,e, h, i）新型實驗鋼的TRIP效應(yīng)增韌；（f, g）常規(guī)熱處理實驗鋼穿晶脆性斷裂特征。
本研究提出的新型熱處理工藝路線，具有較寬的工業(yè)生產(chǎn)窗口，有利于提升厚大截面馬氏體時效鋼力學(xué)性能均勻性，可作為高性能大型低溫工程鍛件的潛在研制方案。
*感謝論文作者團(tuán)隊對本文的大力支持。
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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(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，利用光學(xué)金相組織觀察、力學(xué)性能測試等研究手段，總結(jié)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(guī)律。
TC4-DT 作為適應(yīng)現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的一種損傷容限合金，必須具備良好的綜合力學(xué)性能。鈦合金的性能和其組織形態(tài)關(guān)系密切，鈦合金的組織形態(tài)往往是由冶煉與后續(xù)的鍛造工藝和熱處理工藝決定的。鈦合金的熱處理強(qiáng)化的基本原理，既與鋁合金相似，屬于淬火時效強(qiáng)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(xué)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(yōu)的強(qiáng)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(xué)性能之間的關(guān)系有著重要的意義。
TC4-DT 鍛造原材料
TC4-DT 原材料化學(xué)成分
鍛造用原材料(棒料)為西部超導(dǎo)提供的直徑d為300mm 的720℃退火態(tài)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(xué)成分見表1。
表1 TC4-DT 原材料化學(xué)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(jié)果未見超標(biāo)單顯，但雜波水平超標(biāo)，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(biāo)。
表2 TC4-DT 原材料超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)
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(guī)兩相區(qū)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(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能，為下一步工序做準(zhǔn)備；3.消除冷、熱加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
應(yīng)用要點：1.適用于合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼的鍛件、焊接件以及供應(yīng)狀態(tài)不合格的原材料；2.一般在毛坯狀態(tài)進(jìn)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(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能，為下一步工序做準(zhǔn)備；3.消除冷、熱加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
應(yīng)用要點：正火通常作為鍛件、焊接件以及滲碳零件的預(yù)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)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(fā)揮鋼的強(qiáng)度和耐磨性潛力，但同時會造成很大的內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的塑性和沖擊韌度，故要進(jìn)行回火以得到較好的綜合力學(xué)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(jīng)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(nèi)應(yīng)力，減少工件的變形和開裂；2.調(diào)整硬度，提高塑性和韌性，獲得工作所要求的力學(xué)性能；3.穩(wěn)定工件尺寸。
展開 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(jìn)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(yù)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(jié) 熱處理工藝制定
熱處理工藝是指熱處理作業(yè)的全過程，包括熱處理規(guī)程的制定、工藝過程控制與質(zhì)量保證、工藝管理、工藝工裝(設(shè)備)以及工藝試驗等，通常所說的熱處理工藝就是指工藝規(guī)程的制定。
熱處理工藝規(guī)程的編制是工藝工作中最主要、最基本的工作內(nèi)容，確切地說工藝規(guī)程的編制屑于工程設(shè)計的范疇。制定正確、合理的熱處理工藝必須從企業(yè)實際出發(fā)，考慮企業(yè)從事熱處理工作的人員素質(zhì)、管理水平、生產(chǎn)條件等，依據(jù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和資料以及質(zhì)量保證和檢驗?zāi)芰ΓO(shè)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(yōu)質(zhì)高效地生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，而且能降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
一、熱處理工藝制定原則
熱處理工藝制定應(yīng)遵循以下原則。
(1)工藝的先進(jìn)性 先進(jìn)的熱處理工藝是企業(yè)參與市場競爭的實力和財富，具備領(lǐng)先于其他企業(yè)的熱處理工藝技術(shù)，能以少的投入獲得最佳的熱處理質(zhì)量。
(2)工藝的合理性 熱處理工藝制定應(yīng)最大限度避免產(chǎn)生熱處理缺陷，實現(xiàn)工藝流程短，工人易掌握，操作簡單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
(3)工藝的可行性 根據(jù)企業(yè)的熱處理條件、人員結(jié)構(gòu)素質(zhì)、管理水平制定的熱處理工藝才能保證在生產(chǎn)中正常運(yùn)行。
(4)工藝的經(jīng)濟(jì)性 工藝應(yīng)充分利用企業(yè)現(xiàn)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(xiàn)代質(zhì)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(shù)必須具備追索性，對產(chǎn)品處理質(zhì)量追索查找，因此工藝應(yīng)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(guī)則，不成熟的工藝要經(jīng)試驗驗證鑒定后方可編入。
(7)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化 標(biāo)準(zhǔn)化工作是企業(yè)的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)化工作在熱處理中也是必不可少的，是工藝質(zhì)量的保證。
各熱處理工藝制定原則的要素與內(nèi)容見表8—1。
展開 不同的熱處理工藝有什么區(qū)別？
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什么時候需要熱處理？
客戶下達(dá)訂單后，由鋸切車間根據(jù)客戶需求，切割尺寸大小的模具鋼，后至機(jī)加工進(jìn)行一系列打磨或者機(jī)銑工作。
根據(jù)需求或粗加工成型模具返廠熱處理，根據(jù)不同材質(zhì)需求，選擇不同工藝進(jìn)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？
鋼的熱處理工藝PPT
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金屬材料力學(xué)性能與熱處理工藝知識
鋼材疲勞強(qiáng)度經(jīng)驗公式:
σ-1= (0.45～0.55)σb
或 σ-1= 0.27(σs+σb）
σ-1p= 0.23(σs+σb）
02
熱處理工藝
定義：將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)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(xù)加工順利進(jìn)行，這種熱處理稱為預(yù)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(xué)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(zhuǎn)變
珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變
奧氏體的冷卻轉(zhuǎn)變：奧氏體在臨界點A1以上是穩(wěn)定相，冷卻至A1以下就成了不穩(wěn)定相，要發(fā)生組織轉(zhuǎn)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(jìn)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(jù)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(yù)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(jī)械（粗）加工→淬火+回火（或表面熱處理）→機(jī)械（精）加工。退火與正火常作為預(yù)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(zhǔn)備；淬火和回火工藝配合可強(qiáng)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(jīng)不同熱處理后的性能
熱處理方法 力學(xué)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(dāng)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(yīng)力退火等
[目的]：根據(jù)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(xué)成分和組織；消除內(nèi)應(yīng)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(tài)下采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。
熱處理作為機(jī)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(jìn)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(chǎn)品質(zhì)量，延長零件的使用壽命、節(jié)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(jìn)行起著重要的作用。因此，熱處理在機(jī)械制造行業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，例如，汽車、拖拉機(jī)行業(yè)中需要進(jìn)行熱處理的零件占70％一80％；機(jī)床行業(yè)中占60％～70％；軸承及各種模具則達(dá)到100％。
第一節(jié) 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變
鋼之所以能進(jìn)行熱處理，是由于鋼在固態(tài)下能發(fā)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(qiáng)化。金屬與合金在加熱或冷卻過程中發(fā)生相變的溫度稱為相變點，又稱臨界點。根據(jù)Fe-FeaC相圖可知，共析鋼在加熱或冷卻過程中經(jīng)過PSK線(A1)時，發(fā)生珠光體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變；亞共析鋼經(jīng)過GS線(A，)時，發(fā)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(zhuǎn)變；過共析鋼經(jīng)過ES線(Acm)時，發(fā)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(zhuǎn)變。 Al、A3、ACm稱為碳素鋼加熱或冷卻過程中的相變點。但是，F(xiàn)e-FesC相圖上反映出的相變點A1、Az、A，是平衡條件下的固態(tài)相變點，即在非常緩慢加熱或冷卻條件下鋼發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度。實際上，鋼在熱處理時的組織轉(zhuǎn)變并不是在平衡相變點發(fā)生的，大多有不同的滯后現(xiàn)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(zhuǎn)變點(Ms)為310℃，而滲碳層的馬氏體轉(zhuǎn)變點(Ms)降至80～90℃，這樣就大大提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，經(jīng)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(jīng)二次淬火反而使殘留奧氏體增多導(dǎo)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(kuò)散過程。溫度越高越有利于擴(kuò)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(zhuǎn)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(wěn)定性，增加殘留奧氏體量。
（4）熱處理技術(shù)要求分析
根據(jù)以往齒輪公法線及花鍵M值的變形規(guī)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(jìn)行淬火的工藝，且在粗加工后將零件調(diào)質(zhì)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力，為后期的滲碳、淬火提供良好的條件，從而控制變形量。經(jīng)綜合分析最終確定零件的主要工藝流程為粗加工→調(diào)質(zhì)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(chǎn)工藝結(jié)果與討論
（1）熱處理生產(chǎn)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(xué)性能和熱處理工藝
鋼材疲勞強(qiáng)度經(jīng)驗公式:
σ-1 = (0.45～0.55)σb
或 σ-1 = 0.27(σs+σb）
σ-1p = 0.23(σs+σb）
01
熱處理工藝
定義：將固態(tài)金屬或合金通過加熱、保溫和冷卻，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)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(xù)加工順利進(jìn)行，這種熱處理稱為預(yù)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(fā)動機(jī)曲軸熱處理工藝開發(fā)
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(shù)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(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度高、韌性好，淬火變形小，熱處理后能夠獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。
⑵熱處理方式及冷卻選擇。
考慮到42CrMoH具有優(yōu)良的淬透性，雖然曲軸形狀復(fù)雜且在實物指定部位雙倍取樣進(jìn)行機(jī)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(dá)到±10℃以內(nèi)的臺車式電爐進(jìn)行加熱保溫，先正火以優(yōu)化鍛后組織，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)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(nèi)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(yīng)力回火，裝爐方式采用曲軸平放于專用工裝內(nèi)，以減少熱處理變形。
表5 42CrMoH曲軸工藝試驗結(jié)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(zhì)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(chǎn)品配爐熱處理，分別進(jìn)行實物解剖及相關(guān)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(jī)械性能及金相組織等數(shù)據(jù)見表5。
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