談機(jī)械制造碳素設(shè)備加工工藝要點(diǎn)

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摘要：先進(jìn)制造技術(shù)是由先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、管理系統(tǒng)、先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)等組成的，這些技術(shù)的組成也決定了我國(guó)目前的水平。高級(jí)制造技術(shù)是機(jī)械制造工藝的基礎(chǔ)，一般情況下，制造單元是機(jī)械加工中的中間力，主要包括數(shù)字化控制技術(shù)及影響因素。信息技術(shù)和新材料的應(yīng)用也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。所有這些，都是為了適應(yīng)社會(huì)的需要，是傳統(tǒng)制造工藝與先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是高質(zhì)量、高效益的產(chǎn)物，也是機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的需要。

關(guān)鍵詞：碳素設(shè)備；有關(guān)工藝；機(jī)械設(shè)計(jì)

1機(jī)械制造碳素設(shè)備相關(guān)工藝概述

如今，人們對(duì)機(jī)械加工的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，很多精密零件的加工都是利用機(jī)械加工，在加工過(guò)程中，會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，必須采取正確的措施。能夠使事情順利進(jìn)行第一，粗精加工要分開(kāi)。這是保證加工精度的唯一有效途徑。粗加工時(shí)，切削量大，工件的切削力和夾緊力大，發(fā)熱量大，加工面出現(xiàn)明顯的加工硬化，工件內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，若連續(xù)展開(kāi)粗、精加工，將影響精加工后的零件精度。對(duì)高精度產(chǎn)品，經(jīng)粗加工低溫退火，再經(jīng)精加工，完全消除內(nèi)應(yīng)力。二是加工時(shí)，要選擇合適的加工設(shè)備；因?yàn)榇旨庸さ哪康氖乔腥ゴ蟛糠旨庸べM(fèi)，加工精度不高，所以粗加工應(yīng)選擇輸出功率大、剛度好、精度低、效率高的機(jī)械設(shè)備。粗、精加工時(shí)，選用性能各異的加工設(shè)備，既能充分發(fā)揮設(shè)備的綜合功能，又能提高加工效率和加工質(zhì)量，延長(zhǎng)機(jī)床壽命。此外，熱處理是工藝規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)，不同類型的加工工藝都要根據(jù)其性能和要求來(lái)進(jìn)行熱處理。提高金屬切削加工性能需要退火、正火和回火；粗加工、時(shí)效和回火處理需要消除內(nèi)部應(yīng)力；加工后滲碳、淬火和回火需要改善機(jī)械性能。

2碳素設(shè)備鋼鐵的熱處理技術(shù)工藝分析

2.1消除應(yīng)力退火

顧名思義，對(duì)鋼進(jìn)行這種處理是為了減輕因鍛造、軋制、彎曲、沖壓、成形、焊接等制造工序而產(chǎn)生的鎖定應(yīng)力。這個(gè)過(guò)程包括將受影響的金屬(完全或部分)加熱到低于相變范圍的溫度。通常在下臨界線(AC1)723℃(1333℉)以下進(jìn)行均勻冷卻。典型的碳鋼應(yīng)力釋放溫度為600～675℃(1000～1250℉)，持續(xù)足夠的時(shí)間將整個(gè)厚度浸泡到預(yù)定的時(shí)間，然后，在橫截面和表面均勻冷卻。顯然，應(yīng)力釋放是一種時(shí)間溫度現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程可能包括在應(yīng)力釋放溫度下的微觀或宏觀蠕變松弛。

2.2恢復(fù)碳素鋼板的正常化操作工藝

恢復(fù)正?；哪繕?biāo)各不相同。它可以提高或降低鋼的強(qiáng)度和硬度，使晶粒均勻細(xì)化，降低殘余應(yīng)力等。由此可見(jiàn)，這一過(guò)程也會(huì)改變前面討論過(guò)的性能。所有這些都依賴材料的加工過(guò)程，以及實(shí)際的加熱和冷卻循環(huán)。人們常常認(rèn)為，它們與其他各種熱處理方式的功能相重疊，如退火、硬化和應(yīng)力釋放。這個(gè)過(guò)程包括對(duì)鋼進(jìn)行奧氏體化，然后，在靜止空氣中進(jìn)行控制加熱。這一過(guò)程既是一種熱現(xiàn)象，也是一種微觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。正火是在高于上限臨界溫度(a3線)55℃(100℉)的溫度下進(jìn)行的，然后在靜止的空氣中冷卻。正火可以生產(chǎn)出更堅(jiān)硬、更強(qiáng)韌的鋼，提高可加工性，改善和細(xì)化鑄造的樹(shù)枝狀組織，細(xì)化晶粒尺寸以改善后續(xù)熱處理工藝的反應(yīng)。由于冷卻不是在平衡條件下進(jìn)行的，所以與預(yù)測(cè)的相圖結(jié)構(gòu)存在偏差。完全退火過(guò)程包括加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，然后，在爐內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)變范圍緩慢冷卻。

2.3退火工藝

完全退火過(guò)程包括加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，然后，在爐內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)變范圍緩慢冷卻。退火的目的是生產(chǎn)細(xì)晶粒，誘導(dǎo)柔軟性，改善電性能和磁性能，有時(shí)改善機(jī)械加工性能。退火是一個(gè)接衡條件并且最接近于遵循相圖的緩慢過(guò)程。

2.4球化工藝

在過(guò)共析鋼中，滲碳體網(wǎng)絡(luò)硬而脆，在加工過(guò)程中，必須被切削工具切斷。球化退火是為了生成球狀或球狀的碳化物，提高切削性能。球化處理包括在高溫下長(zhǎng)時(shí)間地在鐵素體基體中生成球狀碳化物的結(jié)構(gòu)。

2.5回火工藝

回火包括將鋼材加熱到低于臨界溫度的一定溫度，從而消除殘余應(yīng)力，提高鋼材的延展性和韌性。通常有一些犧牲的硬度和力量。隨著回火溫度的升高，硬度降低，韌性增加。但在200～430℃(400～800℉)溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，韌性下降。在此溫度范圍內(nèi)，淬火過(guò)程中殘余應(yīng)力得到了很大程度的釋放。某些合金鋼在回火溫度538～675℃(1000～1250℉)范圍內(nèi)，隨后緩慢冷卻，會(huì)表現(xiàn)出回火脆性。鉬對(duì)回火脆性有一定的延緩作用。馬氏體是以體心四方結(jié)構(gòu)捕獲碳的過(guò)飽和固溶體，屬亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)在回火過(guò)程中施加能量時(shí)，碳化物析出，鐵變成體心立方。隨著回火溫度的升高，碳化物發(fā)生擴(kuò)散和聚合。

2.6等溫淬火

碳鋼和低合金鋼在淬火之前是等溫淬火的。在等溫淬火過(guò)程中，需要注意的重要因素是，在整個(gè)鋼的截面上，加熱速率與保溫時(shí)間和冷卻速率的關(guān)系是次要的。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、截面厚度、間隔或堆放的爐膛裝料方式、爐膛的結(jié)垢或結(jié)垢氣氛、爐膛內(nèi)的熱循環(huán)是影響回火工藝成敗的重要因素。

2.7碳鋼的硬化操作

在緩慢或適中的冷卻速度下，碳原子有時(shí)間擴(kuò)散出奧氏體(面心立方)結(jié)構(gòu)，使鐵原子重新排列進(jìn)體心立方晶格。這種相變是通過(guò)形核和生長(zhǎng)發(fā)生的，并且具有時(shí)間依賴性。更快的冷卻速度不允許碳有足夠的時(shí)間擴(kuò)散出溶液，而且結(jié)構(gòu)不能隨著碳原子被俘獲而轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方體。合成的結(jié)構(gòu)ー馬氏體ー是以體心四方結(jié)構(gòu)捕獲碳的過(guò)飽和固溶體。這是一個(gè)高度扭曲的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高硬度和強(qiáng)度。馬氏體原子的密集程度低于奧氏體原子，因此，在相變過(guò)程中發(fā)生了渦旋膨脹。結(jié)果表明，高局部應(yīng)力使基體產(chǎn)生變形。在剪切作用下，奧氏體擴(kuò)散較少，小體積的奧氏體突然改變晶體結(jié)構(gòu)。它只在冷卻過(guò)程中進(jìn)行，如果冷卻中斷則停止。馬氏體雖然可以在室溫或接近室溫下無(wú)限持續(xù)存在，但從來(lái)不處于平衡狀態(tài)。馬氏體最終分解為鐵素體和滲碳體。

2.8液體鹽浴滲氮工藝

鹽浴滲氮又稱鐵素體氮碳共滲（FNC），是一種液鹽滲氮工藝，是一種常用的表面硬化技術(shù)。該工藝提供了表面硬度和耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，保持了鋼材芯部的延展性。氮化是一種熱化學(xué)反應(yīng)，這一過(guò)程的結(jié)果是形成一層薄薄的鐵(epsilon鐵)氮化物(Fe3N)外層。這種薄層的形成是由于在熔池環(huán)境中高濃度的氮與鋼鐵表面發(fā)生反應(yīng)而形成的。氮化是一種流行的表面硬化技術(shù)，以其在相對(duì)較低的工藝溫度下提供的質(zhì)量而聞名。如前所述，鹽浴硝化是實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果的最流行的方法之一。在氮化前，組件必須徹底清潔和脫脂。任何來(lái)自磨削顆粒、油、金屬屑等的表面污染都被完全清除。任何這些表面瑕疵的存在都會(huì)導(dǎo)致氮化層不均勻的形成，這可能導(dǎo)致涂層剝落和腐蝕。經(jīng)過(guò)清洗，零件被干燥和預(yù)熱，然后，轉(zhuǎn)移到實(shí)際的氮化環(huán)境，稱為氮化浴。各種氮化工藝的區(qū)別主要在于氮源和能源的供應(yīng)。鹽浴、氣體和離子滲氮在投資成本、工藝時(shí)間、環(huán)境、安全和質(zhì)量等方面具有不同的優(yōu)勢(shì)。在許多情況下，得到的氮化或氮碳共滲表面的性能與生產(chǎn)過(guò)程無(wú)關(guān)。所需的滲氮層深度是由滲氮組分的應(yīng)用決定的，它是時(shí)間和溫度的函數(shù)。這意味著，在一定程度上，這種深度可以通過(guò)時(shí)間和溫度的變化來(lái)控制和調(diào)節(jié)。鈦合金的競(jìng)爭(zhēng)力在于其高強(qiáng)度重量比、耐熱性和耐腐蝕性。同時(shí)，表面硬度低、耐磨性差、抗高溫氧化性差是其主要缺點(diǎn)。氮化處理是改善摩擦學(xué)性能的方法之一。

2.9熱處理爐的使用

現(xiàn)有多種不同種類的熱處理爐用于熱處理鋼。所需處理的類型、設(shè)備或部件的大小和形狀、工作量、生產(chǎn)量以及工作的經(jīng)濟(jì)性是在確定某項(xiàng)工作使用哪種爐子時(shí)需要考慮的因素。批式或連續(xù)式爐子通常是生產(chǎn)量大的爐子的選擇。這些爐子裝有溫度控制裝置。它們還控制了爐膛的氣氛，這使得這些爐子在工作產(chǎn)量的質(zhì)量上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。處理裝藥和從爐膛中提取并移動(dòng)到下一個(gè)階段，如冷卻循環(huán)，移動(dòng)到淬火槽等，通常是機(jī)械化的。熔爐可以是燃油、燃?xì)饣螂娂訜岬?。它們可以進(jìn)一步分為以下幾個(gè)類別：直接燃燒爐：在這種爐子中，鋼與燃燒的熱氣體直接接觸。半熔化爐：在這種類型的爐子里，氣體從部件上偏轉(zhuǎn)，只有熱量被允許在被熱處理的部件周圍循環(huán)。低溫爐：在這種爐子中，加熱氣體在一個(gè)分離的爐膛中燃燒，只有輻射熱才能與零件接觸。該爐具有控制零件周圍加熱環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。而電爐可以被看作一種消聲器，消聲器中的電阻負(fù)責(zé)加熱。熱量在控制的環(huán)境中輻射到鋼中，以保護(hù)鋼和熱源免受氧化損傷。由于加熱源比燃?xì)饣蛉加图訜釥t穩(wěn)定得多，因此，可以更有效地控制和監(jiān)測(cè)溫度。爐子環(huán)境中的氧化、結(jié)垢和脫碳也是通過(guò)引入氣體形成人工環(huán)境來(lái)控制的，這些氣體通常是主要還原性氣體的混合物，如一氧化碳(CO)或氫(H2)。一個(gè)折衷爐的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，零件出來(lái)時(shí)表面干凈，沒(méi)有氧化物，而且溫度控制要好得多。提高爐膛性能的機(jī)械附件有轉(zhuǎn)爐、轉(zhuǎn)鼓帶式輸送機(jī)和傾動(dòng)爐缸機(jī)構(gòu)。由于具有良好的溫度控制和環(huán)境控制，這些加熱爐經(jīng)常用作釬焊爐。

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作者：王力 單位：河南豫聯(lián)能源集團(tuán)有限責(zé)任公司