金属材料热处理新工艺

金属材料热处理新工艺

金属材料热处理发展的主要趋势是，不断改革加热和冷却技术，发展真空热处理，可控气氛热处理和形变热处理等，以及创造新的表面热处理工艺。
新工艺和技术的发展，主要是：
⑴为了提高零件的强度、韧性；增强零件的抗疲劳和耐磨损能力；
⑵减轻加热过程中的氧化和脱碳；
⑶减少热处理过程中零件的变形；
⑷节约能源，降低成本，提高经济效益；
⑸减少或防止环境污染等。
热处理的新工艺很多，这里只简介可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理，以及表面气相沉积技术。
㈠可控气氛热处理
在炉气成分可以控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。炉气分渗碳性、还原性和中性气氛等。仅用于防止工件表面化学反应的可控气氛称为保护气氛。
可控气氛热处理的应用有一系列技术经济优点：能减少和避免钢件在加热过程中氧化和脱碳，节约钢材，提高工件质量；可实现光亮热处理，保证工件的尺寸精度；可进行控制表面碳浓度的渗碳和氰化；可使已脱碳的工件表面复碳；可进行穿透渗碳处理，例如，某些形状复杂且要求高弹性或高强度的工件，用高碳钢制造加工困难，可用低碳钢冲压成形，然后进行穿透渗碳，以代替高碳钢。这样可以大大革新加工程序。
⒈吸热式气氛 燃料气（天然气、城市煤气、丙烷、丁烷）按一定比例与空气混合后，通入发生器进行加热，在触媒的作用下，经吸热而制成的气体称为吸热式气氛，吸热式气氛主要用作渗碳气氛和高碳钢的保护气氛。。
⒉放热式气氛 燃料气（天然气、乙烷、丙烷等）按一定比例与空气混合后，靠自身的燃烧反应而制成的气体，由于反应时放出大量的热量，故称为放热式气氛。它是所有制备气氛中最便宜的一种，主要用于防止加热时的氧化，如低碳钢的光亮退火，中碳钢小件的光亮淬火等。
⒊放热-吸热式气氛 这种气氛用放热和吸热两种方式综合制成。第一步，先将气体燃料（如天然气等）和空气混合，在燃烧室中进行放热式燃烧；第二步，将燃烧室中的燃烧产物再次与少量燃料混合，在装有催化剂的反应罐内进行吸热反应，产生的气体经冷却即为放热-吸热式气氛。它可用于吸热式和放热式气氛原来使用的各个方面。也可做为渗碳和碳氮共渗的载流气体。此种气氛含氮量低，因而可减轻氢脆倾向。
⒋滴注式气氛 用液体有机化合物（如甲醇、乙醇、丙酮、甲酰胺、三乙醇胺等）混合滴入或与空气混合后喷入热处理炉内所得到的气氛称为滴注式气氛。它主要用于渗碳、碳氮共渗、软氮化、保护气氛淬火和退火等。
㈡真空热处理
在真空中进行的热处理称为真空热处理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。
⒈真空热处理的效果
⑴可以减少变形—在真空中加热，升温速度很慢，工件截面温差很小，所以处理时变形较小。
⑵可以减少和防止氧化—真空中氧的分压很低，金属的氧化受到抑制。实践证明，在13.3Pa 的真空度下，金属的氧化速度极慢。在1.33 × 10 -3Pa的真空度下。可以实现无氧化加热。
⑶可以净化表面—在高真空中，表面的氧化物发生分解，工件可得到光亮的表面。另外，工件表面的油污属于碳氢氧的化合物，在真空中加热时分解为水蒸气、二氧化碳等气体，被真空泵排出。洁净光亮的表面不仅美观，而且对提高耐磨性、疲劳强度等都有明显的效果。
⑷脱气作用—溶解在金属中的气体。在真空中长时间加热时，会不断逸出并由真空泵排出。真空热处理的去气作用，有利于改善钢的韧性，提高工件的使用寿命。
除了上述优点以外，真空热处理还可以减少或省去清洗和磨削加工工序，改善劳动条件，实现自动控制。
⒉真空热处理的应用
真空技术的发展，以及对重要零件的更高性能和使用可靠性的要求，使真空热处理得到了越来越广泛的应用。
⑴真空退火
真空退火有避免氧化、脱碳和去气、脱脂的作用，除了钢、铜及其合金外，还可用于处理一些与气体亲和力较强的金属，如钛、钽、铌、锆等。
⑵真空淬火
真空淬火已大量用于各种渗碳钢、合金工具钢、高速钢和不锈钢的淬火，以及各种时效合金、硬磁合金的固溶处理。设备也由周期作业式的密闭淬火炉发展到了连续作业式的大型淬火炉。
⑶真空渗碳
真空渗碳也叫低压渗碳，是近年来在高温渗碳和真空淬火的基础上发展起来的一项新工艺。与普通渗碳相比有许多优点：可显著缩短渗碳周期，减少渗碳气体的消耗，能精确控制工件表层的碳浓度、浓度梯度和有效渗碳层深度。不形成反常组织和发生晶间氧化，工件表面光亮，基本上不造成环境污染，并可显著改善劳动条件，等等。
㈢形变热处理
形变强化和热处理强化都是金属及合金最基本的强化方法。将塑性变形和热处理有机结合起来，以提高材料机械性能的复合热处理工艺，称为形变热处理。在金属同时受到形变和相变时，奥氏体晶粒细化，位借密度增高，晶界发生畸变，碳化物弥散效果增强，从而可获得单一强化方法不可能达到的综合强韧化效果。根据形变与相变的关系，形变热处理可分为三种基本类型：在相变前进行形变；在相变中进行形变；在相变后进行形变。不管哪一种方法，都能获得形变强化与相变强化的综合效果。
⒈高温形变热处理
高温形变热处理是将钢加热到稳定的奥氏体区域，进行塑性变形，然后立即进行淬火和回火。这种工艺的要点是，在稳定的奥氏体状态下形变时，为了保留形变强化的效果，应尽可能避免发生奥氏体再结晶的软化过程，所以，形变后应立即快速冷却。
高温形变热处理和普通热处理相比，不但能提高钢的强度。而且能显著提高钢的塑性和韧性。使钢的综合机械性能得到明显的改善。另外，由于钢件表面有较大的残余压应力，还可使疲劳强度显著提高。
高温形变热处理对钢材无特殊要求，可将锻造和轧制同热处理结合起来，省去重新加热过程，从而节约能源，减少材料的氧化、脱碳和变形，且不要求大功率设备，生产上容易实现，所以这种处理得到了较快的发展。
⒉中温形变热处理
中温形变热处理是将钢加热到稳定的奥氏体状态后，迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳区进行塑性变形，然后淬火和回火。具体工艺参数根据钢种和性能要求的不同有所差异。这种方法和普通热处理相比，强化效果非常显著。淬透性好的中碳合金钢经中温形变热处理后，可大大提高强度，而不降低塑性，甚至略有提高。此外，还可提高钢的回火稳定性和疲劳强度。
中温形变热处理要求钢有高的淬透性（即过冷奥氏体的亚稳区较大，较宽），以使在形变时不产生非马氏体转变。
中温形变热处理的形变温度较低，因此形变速度要快，压力加工设备的功率要大。这种方法的强化效果虽好，但因工艺实施较难，目前仅用于强度要求很高的弹簧钢丝、轴承等小型零件及刀具等。
㈣表面气相沉积
气相沉积主要分化学气相沉积（CVD ）和物理气相沉积（ PVD ）两种。
化学气相沉积是使挥发性化合物气体发生分解或化学反应，并在工件上沉积成膜的方法。利用多种化学反应，可得到不同的金属、非金属或化合物镀层。
物理气相沉积包括真空蒸发、溅射、离子镀三种方法，因为它们都是在真空条件下进行，因此也称为真空镀膜法。
气相沉积镀层的特点是附着力强，均匀，快速，质量好，公害小，选材广，可以得到全包覆的镀层。在满足现代技术提出的越来越高的要求方面，这种方法比常规方法有许多优越性。它能制备各种耐磨膜（如TiN 、TiC 、W C 2 、2 3 Al O 等）、耐蚀膜（如Al 、Cr 、Ni 及某些多层金属等）、润滑膜（如2 MoS 、2 WS 、石墨、2 CaF 等）、磁性膜、光学膜，以及其它功能性薄膜。因此在机械制造、航天、原子能、电器、轻工等部门得到了广泛的应用。