机械制造碳素设备加工工艺要点浅析

王力

（河南豫联能源集团有限责任公司，河南 郑州 451200）

1 机械制造碳素设备相关工艺概述

如今，人们对机械加工的认识越来越深刻，很多精密零件的加工都是利用机械加工，在加工过程中，会遇到各种各样的问题，必须采取正确的措施。能够使事情顺利进行第一，粗精加工要分开。这是保证加工精度的唯一有效途径。粗加工时，切削量大，工件的切削力和夹紧力大，发热量大，加工面出现明显的加工硬化，工件内部存在较大的内应力，若连续展开粗、精加工，将影响精加工后的零件精度。对高精度产品，经粗加工低温退火，再经精加工，完全消除内应力。二是加工时，要选择合适的加工设备；因为粗加工的目的是切去大部分加工费，加工精度不高，所以粗加工应选择输出功率大、刚度好、精度低、效率高的机械设备。粗、精加工时，选用性能各异的加工设备，既能充分发挥设备的综合功能，又能提高加工效率和加工质量，延长机床寿命。此外，热处理是工艺规划的重要环节，不同类型的加工工艺都要根据其性能和要求来进行热处理。提高金属切削加工性能需要退火、正火和回火；粗加工、时效和回火处理需要消除内部应力；加工后渗碳、淬火和回火需要改善机械性能。

2 碳素设备钢铁的热处理技术工艺分析

2.1 消除应力退火

顾名思义，对钢进行这种处理是为了减轻因锻造、轧制、弯曲、冲压、成形、焊接等制造工序而产生的锁定应力。这个过程包括将受影响的金属(完全或部分)加热到低于相变范围的温度。通常在下临界线(AC1)723℃(1333 ℉)以下进行均匀冷却。典型的碳钢应力释放温度为600 ～675℃(1000 ～1250 ℉)，持续足够的时间将整个厚度浸泡到预定的时间，然后，在横截面和表面均匀冷却。显然，应力释放是一种时间温度现象。这个过程可能包括在应力释放温度下的微观或宏观蠕变松弛。

2.2 恢复碳素钢板的正常化操作工艺

恢复正常化的目标各不相同。它可以提高或降低钢的强度和硬度，使晶粒均匀细化，降低残余应力等。由此可见，这一过程也会改变前面讨论过的性能。所有这些都依赖材料的加工过程，以及实际的加热和冷却循环。人们常常认为，它们与其他各种热处理方式的功能相重叠，如退火、硬化和应力释放。这个过程包括对钢进行奥氏体化，然后，在静止空气中进行控制加热。这一过程既是一种热现象，也是一种微观结构现象。正火是在高于上限临界温度(a3 线)55℃(100 ℉)的温度下进行的，然后在静止的空气中冷却。正火可以生产出更坚硬、更强韧的钢，提高可加工性，改善和细化铸造的树枝状组织，细化晶粒尺寸以改善后续热处理工艺的反应。由于冷却不是在平衡条件下进行的，所以与预测的相图结构存在偏差。完全退火过程包括加热到适当的温度，然后，在炉内通过转变范围缓慢冷却。

2.3 退火工艺

完全退火过程包括加热到适当的温度，然后，在炉内通过转变范围缓慢冷却。退火的目的是生产细晶粒，诱导柔软性，改善电性能和磁性能，有时改善机械加工性能。退火是一个接近平衡条件并且最接近于遵循相图的缓慢过程。

2.4 球化工艺

在过共析钢中，渗碳体网络硬而脆，在加工过程中，必须被切削工具切断。球化退火是为了生成球状或球状的碳化物，提高切削性能。球化处理包括在高温下长时间地在铁素体基体中生成球状碳化物的结构。

2.5 回火工艺

回火包括将钢材加热到低于临界温度的一定温度，从而消除残余应力，提高钢材的延展性和韧性。通常有一些牺牲的硬度和力量。随着回火温度的升高，硬度降低，韧性增加。但在200 ～430℃(400 ～800 ℉)温度范围内回火时，韧性下降。在此温度范围内，淬火过程中残余应力得到了很大程度的释放。某些合金钢在回火温度538 ～675℃(1000 ～1250 ℉)范围内，随后缓慢冷却，会表现出回火脆性。钼对回火脆性有一定的延缓作用。马氏体是以体心四方结构捕获碳的过饱和固溶体，属亚稳态。当在回火过程中施加能量时，碳化物析出，铁变成体心立方。随着回火温度的升高，碳化物发生扩散和聚合。

2.6 等温淬火

碳钢和低合金钢在淬火之前是等温淬火的。在等温淬火过程中，需要注意的重要因素是，在整个钢的截面上，加热速率与保温时间和冷却速率的关系是次要的。钢的导热系数、截面厚度、间隔或堆放的炉膛装料方式、炉膛的结垢或结垢气氛、炉膛内的热循环是影响回火工艺成败的重要因素。

2.7 碳钢的硬化操作

在缓慢或适中的冷却速度下，碳原子有时间扩散出奥氏体(面心立方)结构，使铁原子重新排列进体心立方晶格。这种相变是通过形核和生长发生的，并且具有时间依赖性。更快的冷却速度不允许碳有足够的时间扩散出溶液，而且结构不能随着碳原子被俘获而转变为体心立方体。合成的结构ー马氏体ー是以体心四方结构捕获碳的过饱和固溶体。这是一个高度扭曲的结构，导致高硬度和强度。马氏体原子的密集程度低于奥氏体原子，因此，在相变过程中发生了涡旋膨胀。结果表明，高局部应力使基体产生变形。在剪切作用下，奥氏体扩散较少，小体积的奥氏体突然改变晶体结构。它只在冷却过程中进行，如果冷却中断则停止。马氏体虽然可以在室温或接近室温下无限持续存在，但从来不处于平衡状态。马氏体最终分解为铁素体和渗碳体。

2.8 液体盐浴渗氮工艺

盐浴渗氮又称铁素体氮碳共渗（FNC），是一种液盐渗氮工艺，是一种常用的表面硬化技术。该工艺提供了表面硬度和耐腐蚀性的优点，同时，保持了钢材芯部的延展性。氮化是一种热化学反应，这一过程的结果是形成一层薄薄的铁(epsilon 铁)氮化物(Fe3N)外层。这种薄层的形成是由于在熔池环境中高浓度的氮与钢铁表面发生反应而形成的。氮化是一种流行的表面硬化技术，以其在相对较低的工艺温度下提供的质量而闻名。如前所述，盐浴硝化是实现这些结果的最流行的方法之一。在氮化前，组件必须彻底清洁和脱脂。任何来自磨削颗粒、油、金属屑等的表面污染都被完全清除。任何这些表面瑕疵的存在都会导致氮化层不均匀的形成，这可能导致涂层剥落和腐蚀。经过清洗，零件被干燥和预热，然后，转移到实际的氮化环境，称为氮化浴。各种氮化工艺的区别主要在于氮源和能源的供应。盐浴、气体和离子渗氮在投资成本、工艺时间、环境、安全和质量等方面具有不同的优势。在许多情况下，得到的氮化或氮碳共渗表面的性能与生产过程无关。所需的渗氮层深度是由渗氮组分的应用决定的，它是时间和温度的函数。这意味着，在一定程度上，这种深度可以通过时间和温度的变化来控制和调节。钛合金的竞争力在于其高强度重量比、耐热性和耐腐蚀性。同时，表面硬度低、耐磨性差、抗高温氧化性差是其主要缺点。氮化处理是改善摩擦学性能的方法之一。

2.9 热处理炉的使用

现有多种不同种类的热处理炉用于热处理钢。所需处理的类型、设备或部件的大小和形状、工作量、生产量以及工作的经济性是在确定某项工作使用哪种炉子时需要考虑的因素。批式或连续式炉子通常是生产量大的炉子的选择。这些炉子装有温度控制装置。它们还控制了炉膛的气氛，这使得这些炉子在工作产量的质量上具有明显的优势。处理装药和从炉膛中提取并移动到下一个阶段，如冷却循环，移动到淬火槽等，通常是机械化的。熔炉可以是燃油、燃气或电加热的。它们可以进一步分为以下几个类别：直接燃烧炉：在这种炉子中，钢与燃烧的热气体直接接触。半熔化炉：在这种类型的炉子里，气体从部件上偏转，只有热量被允许在被热处理的部件周围循环。低温炉：在这种炉子中，加热气体在一个分离的炉膛中燃烧，只有辐射热才能与零件接触。该炉具有控制零件周围加热环境的优点。而电炉可以被看作一种消声器，消声器中的电阻负责加热。热量在控制的环境中辐射到钢中，以保护钢和热源免受氧化损伤。由于加热源比燃气或燃油加热炉稳定得多，因此，可以更有效地控制和监测温度。炉子环境中的氧化、结垢和脱碳也是通过引入气体形成人工环境来控制的，这些气体通常是主要还原性气体的混合物，如一氧化碳(CO)或氢(H2)。一个折衷炉的关键优点是，零件出来时表面干净，没有氧化物，而且温度控制要好得多。提高炉膛性能的机械附件有转炉、转鼓带式输送机和倾动炉缸机构。由于具有良好的温度控制和环境控制，这些加热炉经常用作钎焊炉。