[科普中国]-预备热处理

简介

预备热处理是指为随后的机加或最终热处理提供一个良好的机加性能或良好的组织形态而进行的热处理．常见的预备热处理有退火、正火、调质和时效等。这类热处理的目的是改善加工性能，消除内应力和为最终热处理做好组织准备。退火、正火、调质工序多数在粗加工前后，时效处理一般安排在粗加工、半精加工以后，精加工之前。

常见热处理退火和正火目的是改善切削性能，消除毛坯内应力，细化晶粒，均匀组织；为以后热处理作准备。 例如：含碳量大于0.7%的碳钢和合金钢，为降低硬度便于切削加工采用退火处理；含碳量低于0.3%的低碳钢和低合金钢，为避免硬度过低切削时粘刀，而采用正火适当提高硬度。

一般用于锻件、铸件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前进行。

调质目的是使材料获得较好的强度、塑性和韧性等方面的综合机械性能，并为以后热处理作准备。

用于各种中碳结构钢和中碳合金钢。调质一般安排在粗加工之后，半精加工之前。 调质是最常用的热处理工艺。大部分的零件都是通过调质处理来提高材料的综合机械性能，即提高拉伸强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、冲击功。调质处理能大大提高材料的拉伸和屈服强度， 提高屈强比和冲击功， 使材料具有强度和塑韧性的良好配合。由于屈服强度、疲劳强度、冲击强度的提高，在零件设计时就可以采用更小的材料截面，从而减少机械设备的整体重量，节省零件占用空问和能量消耗。因此在某些场合为了减少机械空间和机械重量在设计过程中要有意识地利用调质工艺。 需要强调的是，一般来讲调质钢应该为中碳钢( C = 0．3%～0．6%)；碳钢中像30、35、40、45、50等钢种则既可以调质处理又可以正回火使用；而对高碳钢和低碳钢则不宜采用调质工艺。

调质过程是淬火加高温回火。首先需要将零件加热到材料的Acl点以上30～50℃(800．950℃)，保温一定时间，然后在油中或水中冷却。冷却后立即入炉进行回火(500～650℃)，以降低淬火应力、调整组织成份，进而达到机械性能要求。而回火温度的制定是根据硬度或性能高低而定的，硬度和强度越高，回火温度越低。调质工序后的任何高于回火温度的加热，都将降低已达到的强度。

选择调质处理时应特别注意以下几点：

(1)图纸中应明确要求应明确写明“调质”。若只写“热处理„H B”外协厂家可能采用其他热处理工艺，比如正回火达到所要求的硬度。而正回火所达到的同样硬度的材料其屈服强度和冲击功会非常低。实际工作中曾发生过地脚螺栓使用时发生早期断裂的事故就是由此导致的。

(2)调质的硬度和硬度范围要按材料标准选择调质的硬度和硬度范围。这一方面有利于工厂配炉生产，另一方面过窄的硬度范围要求在实际生产中根本无法满足。

(3)硬度要与所要求的强度相匹配。布氏硬度HB与拉伸强度是有对应关系的。粗略计算HB = O.3σb(N/mm2或MPa ) 。在中国国家标准和国外标准中都有对照表。 设计师在工作中必须注意的另外一点是， 图纸中要求的强度与硬度一定要相互匹配， 否则工艺将无法同时满足。

(4)采用布氏硬度验收 ，日本企业有时也采用维氏或其他硬度验收调质硬度，虽然各种硬度可以相互换算， 但检测调质硬度时用布氏硬度是最准确和方便的方法。

(5)对调质硬度的限制

如前所述，调质后任何高于调质回火温度的加热都将降低已有强度，情况严重时会导致零件变形甚至产生裂纹。所以对氮化件调质硬度最好不应超过300HB，而表面淬火件和焊接件调质硬度应控制在330HB以下。由于表面淬火和焊接时工件表面急剧加热，将会产生过大的热应力，而超过材料Acl点的加热会使金属组织急剧变化而产生附加的组织应力。在以上两种应力叠加作用下，高硬度件不易缓和和释放应力，容易产生基体组织裂纹，最终将导致零件报废。

低温时效(烘)用于各种精密零件消除切削加工应力，保持尺寸的稳定性。 一般安排在半精车以后，或粗磨、半精磨以后，精磨以前。

生产线我们知道，零件毛坯的预处理无非是四把“火”及其组合。目前国内在该方面的现状是：对于渗碳淬火强化类零件，第一种是零件毛坯锻造后进行埋砂冷却，不再进行预备热处理，或者是采用锻造余热进行正火处理。这样的结果是毛坯中往往获得不完全正火组织，粗晶、混晶现象严重，硬度偏高而且不均匀。第二种是采用常规正火(或退火)，加热设备多采用台车炉。毛坯一般在台车上堆放，进炉后，加热到Ac3+30～50。C温度后保温，然后将台车移出，毛坯也不分散开，直接堆置在台车上，在空气中冷却，或者是在台车侧面架置风扇进行风冷。这样处理的毛坯由于冷却不均匀，各部位获得的组织也不同，硬度极不均匀，有时单件齿坯硬度不均匀性就在40HB以上。这不仅给后续加工造成难度，而且零件后续进行渗碳淬火处理时变形很大，无规律性。第三种是采用常规正火(或退火)，采用箱式炉或者是台车炉加热，与第二种不同的是，在冷却时将齿轮毛坯散开进行冷却。这样的方式较合理，经处理后毛坯的质量较前两者好，但仍然会出现不合格组织，硬度也不能进行控制，离散度大。在汽车行业，已推荐采用等温正火工艺对齿坯进行预处理，等温正火使得齿轮毛坯的组织和硬度均匀性大大提高，对减小渗碳淬火齿轮的热处理变形有明显效果。但对于有效厚度较大的零件，由于高温区冷却能力往往达不到工艺要求，导致处理效果不佳，并且设备投资较大，所以未获得广泛应用。采用调质方式对零件毛坯进行预处理是一种比较好的方式，但由于成本相对较高，且一般多采用单介质淬火，影响了调质的效果，所以采用的较少。

对于氮化类零件毛坯，已有普遍认识：采用调质处理是推荐方式，少量还采用正火方式。但仍然存在上述的单介质淬火的缺陷。在工艺装备方面，台车式加热炉、开式淬火槽加人工转移操作是主导方式。这种处理方式能耗损失大，零件质量离散度大，劳动强度高，劳动环境差(高温辐射)，环境污染重。这种现状是迫切要解决的问题，可以按以下思路改进：

(1) 加热炉采用新结构，提高热效率，减少能耗。

(2) 采用少无氧化加热，减少材料消耗。

(3) 尽量不用炉用耐热钢工装，减少投入并减少由此产生的无效加热能源。

(4) 采用机械转移方式代替人工，解决转移时间不一致及人工一次转移量小的问题。

(5) 正火(或退火)出炉后采用可控方式冷却，提高毛坯的热处理质量，减少车间的热辐射。

(6) 采用多种淬火介质组合，提高淬火适应性。并尽量少采用淬火油以减少环境污染1。