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摘要:金属材料与热处理是研究金属材料内部组织结构及力学性能的学科。作者以机械制造业中的机器零件成型工艺为题进行讨论,得出结论:《金属材料与热处理》仍然是全国技工学校机械类专业的必修课。
关键词:金属材料与热处理;必修课;机械类
中图分类号:G715文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-05-0162-01
机器都是由零件组成,有的机器零件是车削成型的,有的铸造成型的,还有的是焊接成型的。不论是采用哪种工艺成型机械零件,都高不开《金属材料与热处理》的理论和技术。
一、车削成型的汅车、拖拉机及坦克齿轮的选材和热处理
汽车、拖拉机、坦克的齿轮的工作条件比普通车床变速箱传动齿轮的恶劣得多,所以不能选用40钢或140Cr钢作为其制造材料,而选择20Cr或20CrMnTi钢为其制造材料,经渗碳后使用,才能达到强度要求。如解放牌载重汽车变速箱一速齿轮,要求齿面的硬度是58～62HRC,心部硬度为30～45HRC。如果选用20、20Cr钢,经渗碳,齿面硬度达到要,但因其淬透性低,心部达不到强度要求。20CrMnTi、20CrMnMo和20MnVB淬透性比20、20Cr高,所以选20CrMnTi,采用汽体渗碳或液体渗碳工艺制造该齿轮。
如果是服役条件十分苛刻的大模数齿轮,如坦克等机械的重载传动齿轮,要选择18Cr2Ni4WA钢,经过渗碳淬火,低温回火,其强度、塑性、韧性能达到要求。
二、铸造成型零件的热处理
有的机器零件是用铸造工艺成型的。如用ZGMn13系列钢制造的拖拉机、坦克、挖掘机的履带板、破碎机的牙板、防弹钢板、保险箱的钢板等。
2GMn13系列钢有2GMn13-1、2GMn13-2、2GMn13-3和2GMn13-4。它们的铸态组织为粗大的奥氏体+晶界析出的碳化物。铸态组织的2GMn13钢,脆性很大,而打磨性也不高,不能直接使用。但经1060～1100℃高温加热,快速水冷后,得到单相奥氏体组织,这时2GMn13钢韧性很高(故又称为"水韧处理")。经水韧处理的2GMn13钢的特点是:当其受到强烈冲击和强烈摩擦时,表面将形成加工硬化层,而且促使奥氏体向马氏体转变,形成硬(>500HBW)而耐磨的表面层(深度10～20mm),其心部仍保持高韧性的奥氏体组织。硬化层被磨损后,又产生新的硬化层……。相反地,如果冲击力,摩擦力低,它却不产生硬化层。
如果2GMn13的铸态组中有柱状晶体,先进行退水处理,消除部分柱状晶体后,再进行淬火处理。其热处理工艺曲线如下图。
三、焊接成型零件的热处理
有的机械零件是由若干个焊件,通过焊接而成的。焊接时,当焊条沿焊缝方面移动时,熔池中的液态金属很快凝固,形成焊熢。焊缝的两侧在一定范围内,温度比较高,其组织和性能发生变化,我们称之为热影响区。焊缝和热影响区统称为焊接接头。
(一)焊缝的组织与性能
熔池金属的结晶从液、固相交界(熔合线)处开始,晶柱的长大方向与其散热方面相反,即晶粒从熔合线向熔池中心长大。这样就使焊缝金属形成柱状晶结构。由于熔池金属冷却速度比较大,柱状晶粒不粗大,所以焊缝金属的力学性能与母材的相比,变化不大。
低碳钢焊缝的室温组织为铁素体+珠光体。因为焊缝金属冷速不大,所以低碳钢中珠光体的含量要比其平衡组织中的珠光体的含量高,而且晶粒也比较细。因此,低碳钢焊缝金属的强度都比原件的有所升高,而塑性、韧性则比原件的有所下降。
(二)热影响区的组织与性能
热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区(按由焊缝向其外侧排列)。在低碳钢的焊接接头中,熔合区和热区晶粒粗大,其金属的塑性和韧性明显降低,是焊接接头的薄弱环节,但不影响焊接接头的使用性能。但是,对于淬透性好的钢,情况却大不一样了。熔合区、过热区、正火区,甚至部分相变区域均会出现淬火组织,使焊缝金属的塑性和韧性显著降低,该区域在很大程度上决定着焊接接头的性能。
(三)焊接成型零件的热处理
焊后热处理是提高焊接接头质量的方法之一。焊后热处理能消除焊缝及热影响区的内应力,改善其组织,提高焊接接头的力学性能。
1、含碳量高或含合金元素多的材料,其焊缝及热影响区在焊后冷却过程中,极易生成淬硬组织。所以,可将这类材料的焊接件进行高温回火,达到消除焊接应力,降低硬度,提高塑性和韧性的。
2、对于焊接性较好,较重的低碳钢和低合金钢焊接件进行正火处理,达到消除焊接应力,改善焊接应力,改善接头的组织,确保一定的强度的目的。
3、对于受力不大或只承受静载荷的低碳钢焊接件,一般不需要进行焊后热处理。
四、结论
综上所述,我们看到,机械制造工艺与《金属材料与热处理》的知识是紧密联系的。当前,我国的机械制造业正以突飞猛进的速度挤入世界的先进行列。这些行业不但需要大批的优秀设计人才,而且需要培养大批生产一线需求的技术应用型人才——技术工人,而技术工人是技工学校培养的,技工学校机械类专业的学生要掌握《金属材料与热处理》的知识与技能。所以我们说《金属材料与热处理》仍然是全国技工学校机械类专业的必修课。
关键词:金属材料与热处理;必修课;机械类
中图分类号:G715文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-05-0162-01
机器都是由零件组成,有的机器零件是车削成型的,有的铸造成型的,还有的是焊接成型的。不论是采用哪种工艺成型机械零件,都高不开《金属材料与热处理》的理论和技术。
一、车削成型的汅车、拖拉机及坦克齿轮的选材和热处理
汽车、拖拉机、坦克的齿轮的工作条件比普通车床变速箱传动齿轮的恶劣得多,所以不能选用40钢或140Cr钢作为其制造材料,而选择20Cr或20CrMnTi钢为其制造材料,经渗碳后使用,才能达到强度要求。如解放牌载重汽车变速箱一速齿轮,要求齿面的硬度是58～62HRC,心部硬度为30～45HRC。如果选用20、20Cr钢,经渗碳,齿面硬度达到要,但因其淬透性低,心部达不到强度要求。20CrMnTi、20CrMnMo和20MnVB淬透性比20、20Cr高,所以选20CrMnTi,采用汽体渗碳或液体渗碳工艺制造该齿轮。
如果是服役条件十分苛刻的大模数齿轮,如坦克等机械的重载传动齿轮,要选择18Cr2Ni4WA钢,经过渗碳淬火,低温回火,其强度、塑性、韧性能达到要求。
二、铸造成型零件的热处理
有的机器零件是用铸造工艺成型的。如用ZGMn13系列钢制造的拖拉机、坦克、挖掘机的履带板、破碎机的牙板、防弹钢板、保险箱的钢板等。
2GMn13系列钢有2GMn13-1、2GMn13-2、2GMn13-3和2GMn13-4。它们的铸态组织为粗大的奥氏体+晶界析出的碳化物。铸态组织的2GMn13钢,脆性很大,而打磨性也不高,不能直接使用。但经1060～1100℃高温加热,快速水冷后,得到单相奥氏体组织,这时2GMn13钢韧性很高(故又称为"水韧处理")。经水韧处理的2GMn13钢的特点是:当其受到强烈冲击和强烈摩擦时,表面将形成加工硬化层,而且促使奥氏体向马氏体转变,形成硬(>500HBW)而耐磨的表面层(深度10～20mm),其心部仍保持高韧性的奥氏体组织。硬化层被磨损后,又产生新的硬化层……。相反地,如果冲击力,摩擦力低,它却不产生硬化层。
如果2GMn13的铸态组中有柱状晶体,先进行退水处理,消除部分柱状晶体后,再进行淬火处理。其热处理工艺曲线如下图。
三、焊接成型零件的热处理
有的机械零件是由若干个焊件,通过焊接而成的。焊接时,当焊条沿焊缝方面移动时,熔池中的液态金属很快凝固,形成焊熢。焊缝的两侧在一定范围内,温度比较高,其组织和性能发生变化,我们称之为热影响区。焊缝和热影响区统称为焊接接头。
(一)焊缝的组织与性能
熔池金属的结晶从液、固相交界(熔合线)处开始,晶柱的长大方向与其散热方面相反,即晶粒从熔合线向熔池中心长大。这样就使焊缝金属形成柱状晶结构。由于熔池金属冷却速度比较大,柱状晶粒不粗大,所以焊缝金属的力学性能与母材的相比,变化不大。
低碳钢焊缝的室温组织为铁素体+珠光体。因为焊缝金属冷速不大,所以低碳钢中珠光体的含量要比其平衡组织中的珠光体的含量高,而且晶粒也比较细。因此,低碳钢焊缝金属的强度都比原件的有所升高,而塑性、韧性则比原件的有所下降。
(二)热影响区的组织与性能
热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区(按由焊缝向其外侧排列)。在低碳钢的焊接接头中,熔合区和热区晶粒粗大,其金属的塑性和韧性明显降低,是焊接接头的薄弱环节,但不影响焊接接头的使用性能。但是,对于淬透性好的钢,情况却大不一样了。熔合区、过热区、正火区,甚至部分相变区域均会出现淬火组织,使焊缝金属的塑性和韧性显著降低,该区域在很大程度上决定着焊接接头的性能。
(三)焊接成型零件的热处理
焊后热处理是提高焊接接头质量的方法之一。焊后热处理能消除焊缝及热影响区的内应力,改善其组织,提高焊接接头的力学性能。
1、含碳量高或含合金元素多的材料,其焊缝及热影响区在焊后冷却过程中,极易生成淬硬组织。所以,可将这类材料的焊接件进行高温回火,达到消除焊接应力,降低硬度,提高塑性和韧性的。
2、对于焊接性较好,较重的低碳钢和低合金钢焊接件进行正火处理,达到消除焊接应力,改善焊接应力,改善接头的组织,确保一定的强度的目的。
3、对于受力不大或只承受静载荷的低碳钢焊接件,一般不需要进行焊后热处理。
四、结论
综上所述,我们看到,机械制造工艺与《金属材料与热处理》的知识是紧密联系的。当前,我国的机械制造业正以突飞猛进的速度挤入世界的先进行列。这些行业不但需要大批的优秀设计人才,而且需要培养大批生产一线需求的技术应用型人才——技术工人,而技术工人是技工学校培养的,技工学校机械类专业的学生要掌握《金属材料与热处理》的知识与技能。所以我们说《金属材料与热处理》仍然是全国技工学校机械类专业的必修课。