通过对冷拔油缸与主机用高精度冷拔钢管的组织与性能的研究，最终获得高精度冷拔钢管的最佳冷拔变形工艺与热处理工艺、焊接工艺，制造出组织与性能最优的冷拔钢管，满足冷拔油缸与主机工况要求。对冷拔油缸与主机缸筒冷拔组织与性能的影响，有下面非常关键的三项工艺要素。冷拔油缸与主机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着冷拔油缸与主机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。......
2025-09-29
热处理管材的理论基础和工艺方法
【摘要】：管材热处理的目的是改变钢的内部组织结构，而改善钢的性能。管材通过适当的热处理可以显著提高其机械性能，延长机器零件其使用寿命。管材热处理工艺根据管材热处理的目的、要求和工艺方法的不同，分为整体、表面和化学热处理三类。管材热处理的三阶段包括加热、保温、冷却。通常，管材在930～950℃以下加热，其晶粒长大的倾向小，便于热处理。
管材热处理的目的是改变钢的内部组织结构，而改善钢的性能。管材通过适当的热处理可以显著提高其机械性能，延长机器零件其使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品的质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
管材热处理工艺根据管材热处理的目的、要求和工艺方法的不同，分为整体、表面和化学热处理三类。
（1）整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；
（2）表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等；
（3）化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
管材热处理的三阶段包括加热、保温、冷却。钢的热处理如图6-1、图6-2所示。
图6-1 钢的热处理工艺曲线
图6-2 铁碳合金的加热和冷却时的临界点变化示意
2.1 钢在加热时的转变
管材加热的目的是使钢奥氏体化。
（1）奥氏体（A）的形成
奥氏体晶核的形成，以共析钢为例，A1点则Wc＝0.0218%（体心立方晶格F）Wc＝6.69%（复杂斜方渗碳体），当T上升到Ac1后，Wc＝0.77%（面心立方的A）。由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。在铁素体和渗碳体的相界面上形成。，有两个有利条件：①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间，②原子排列不规则，空位和位错密度高。如图6-3所示。
①奥氏体长大
由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。
②残余Fe3C的溶解
A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶（F比Fe3C先消失）。
图6-3 珠光体向奥氏体转变过程示意
③奥氏体成分的均匀化
残余Fe3C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。
（2）奥氏体晶粒的长大
奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示，分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的是1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
影响A晶粒粗大的因素：
①管材加热温度越高，保温时间愈长，其奥氏体晶粒越粗大。因此，应合理选择管材加热和保温的时间，以保证获得细小均匀的奥氏体组织。通常，管材在930～950℃以下加热，其晶粒长大的倾向小，便于热处理。
②A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。
2.2 钢在冷却时的转变
管材生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却。
（1）过冷奥氏体的等温转变
A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，必然要发生转变。
①奥氏体等温转变图：表示奥氏体过冷在不同温度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量的关系曲线图。曲线形状与“C”字相似，所以又称C曲线。
铁碳相图中的PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过热和过冷现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用AC1、AC3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
②共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能
图6-4、图6-5、图6-6分别示出了共析碳钢奥氏体等温转变曲线的建立、钢的组织。
图6-4 共析碳钢奥氏体等温转变曲线
图6-5 钢中的贝氏体(https://www.chuimin.cn)
图6-6 T8钢等温淬火组织（化染）420×
a.高温珠光体型转变：A1～550℃
●珠光体（P）A1～650℃ 粗层状 约0.3μm＜25HRC；
●索氏体（S）650～600℃ 细层状 0.1～0.3μm 25～35HRC；
●托氏体（T）600～550℃ 极细层状 约0.1μm 35～40HRC。
b.中温贝氏体型转变：550～Ms
●上贝氏体（B上）550～350℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值
●下贝氏体（B下）350～MS黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好
c.低温马氏体型转变：Ms～Mf
当A被迅速过冷至MS以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。（当WC＜0.2%时，呈板条状，当WC＞1.0%呈针片状，当 WC＝0.2%～1.0%时，呈针片状和板条状的混合物）。
（2）过冷奥氏体的连续冷却转变
①奥氏体连续冷却转变图
共析钢的连续冷却转变如图6-7、图6-8所示。
图6-7 共析碳钢连续冷却转变曲线
图6-8 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
连冷却转变图是表示钢经A后，在不同冷却速度的连冷却条件下，过冷A转变开始及转变终了时间与转变温度之间的关系曲线图。
②共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能
●随炉冷 P 170～220HBS（700～650℃）；
●空冷 S25～35HRC（650～600℃）；
●油冷 T＋M45～55HRC 550℃；
●水冷 M+A′55～65HRC。
（3）马氏体转变
当冷速＞VK时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。（VK-马氏体临界冷却速度）。
①转变特点：M转变是在一定温度范围内进行的（Ms～Mf），M转变是在一个非扩散型转变（碳、铁原子不能扩散）进行的，M转变速度极快（大于VK），M转变具有不完全性（少量的残A），M转变只有α-Fe、γ-Fe的晶格转变。
②M的组织形态
表6-2 弧体M的组织形态
（3）M的力学性能
①M的强度与硬度C的上升M的硬度、强度上升；
②M的塑性与韧性低碳板条状M良好板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能。针片状M比板条M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。
共析碳钢过冷奥氏体连续冷却中的转变如图6-9、图6-10所示。
图6-9 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
图6-10 片状马氏体的电镜组织
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