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第53章 金属的热加工

1.热加工与冷加工的区别

在工业生产中,热加工通常是指将金属材料加热至高温进行锻造、热轧等的压力加工过程。由于金属在高温下强度、硬度低,而塑性、韧性高,在高温下对金属进行加工变形比在低温下容易,因此生产上有冷、热加工之分。

从金属学的角度来看,所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程;在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。例如铅的再结晶温度低于室温,因此在室温下对铅进行塑性加工属于热加工;而钨的再结晶温度约为1200℃,所以即使在1000℃拉制钨丝也属于冷加工。

由于热加工是在高于再结晶温度以上的塑性变形过程,所以因塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在。由此可见,在热加工过程中,金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程,塑性变形所产生的加工硬化将很快被再结晶产生的软化所抵消。

2.热加工对金属组织和性能的影响

热加工虽然不能引起加工硬化,但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。

(1)改善铸锭组织

热加工可使铸态组织缺陷得到改善。例如,热加工可使气泡、疏松大部分得到焊合,材料的致密度增大;改善夹杂物与脆性相的形态、大小及分布;可以部分地消除枝晶偏析;还可将粗大的柱状晶和树枝晶砸碎而形成细小均匀的晶粒。

(2)热加工流线

在热加工过程中,铸锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿变形方向伸长,这样就使枝晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向逐渐与变形方向一致,一些脆性夹杂物如氧化物、碳化物、氮化物等破碎成链状,塑性夹杂物如MnS 等则变成条带状、线状或片层状,在宏观试样上沿着变形力向变成一条条细线,这就是热加工中的流线。由一条条流线勾画出来的组织,叫做纤维组织。

纤维组织的出现,将使金属的性能呈现各向异性。

顺纤维方向具有较高的力学性能,而垂直于流线方向的性能则较低,特别是塑性和韧性表现得更加明显。

(3)带状组织

复相合金中的各个相,在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布,这种组织称为带状组织。带状组织不仅降低金属的强度,而且还降低塑性和冲击韧性,对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过热处理来消除。

金属热处理工艺是改善金属材料使用性能和加工性能的一种非常重要的工艺方法。金属材料经过热处理,可以提高制品质量、延长使用寿命、改善加工性能,是金属零件的一种非常重要的加工方法,工业上大多数重要的零部件都必须经过热处理。

金属的热处理通常指的是将金属在一定的介质中加热、保温和冷却,以改变其整体或表面组织,从而获得所需性能的一种工艺过程。

常用热处理工艺一般称为“四火”处理,即退火、正火、淬火、回火。

(1)退火与正火

将钢加热到适当的温度,保温一定的时间,然后缓慢冷却(一般是随加热炉一起冷却),以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。它的主要目的是清除铸造、轧制、锻造、焊接等造成的异常组织,均匀化学成分,消除内应力,细化组织,降低硬度和改善切削加工性。退火一般得到接近平衡状态的组织。

正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上,保温后空冷的热处理工艺。正火的主要目的是消除过共析钢的网状二次渗碳体,改善切削加工性能,提高钢的性能等。

正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火是在空气中自然冷却,冷却速度较大,得到的珠光体组织很细,因而强度和硬度也较高。正火后获得的珠光体一般为片层间距较小的索氏体,其强度和硬度都较好,韧性也较好。

(2)淬火与回火

将钢加热到临界温度以上,保温一定时间后快速冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火。马氏体强化是钢的主要强化手段,因此淬火的目的就是为了获得马氏体,提高钢的力学性能。淬火是钢的最重要的热处理工艺,也是热处理中应用最广泛的工艺之一。

回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺,它是淬火后再将工件加热到临界温度以下某一温度,保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态,不能直接使用,必须及时回火,否则会有工件断裂的危险。

回火的目的在于降低或消除内应力,以防止工件开裂和变形;减少或消除残余奥氏体,以稳定工件尺寸;调整工件的内部组织和性能,以满足工件的使用要求。

回火工艺主要有:低温回火,得到回火马氏体,强度较高,常用于工具钢热处理;中温回火,得到回火托氏体,强度、韧性好,常用于弹簧钢热处理;高温回火,得到回火索氏体,强度、韧性、综合性能好,通常把淬火+高温回火的热处理工艺称为调质处理,常用于主轴和连杆类零件的热处理。