金属热处理工艺学的发展过程

2021-03-13

   金属热处理工艺学和其它自然科学相同,是随着生产力的发展而发展,同时和其它科技发展紧密相关,热处理的工艺是古代的冶金技术发展结果,是作为冶金技术的一部分,逐渐发展而形成一门学科的。

在我国历史上,热处理工艺出现于铁器时代。当铸铁一出现,就出现了如何提高其韧性的问题。铸铁的柔化处理就是根据这一要求最早出现的热处理工艺,它包括石墨化退火及脱碳退火。这种处理方法出现于春秋时代(公允前770-公园前470年),至西汉发展比较成熟。例如1974年在洛阳出土的战国早期的几件铁器,经分析,发行其中一件铁锛、一件铁铲都是生铁铸成的,其表面脱碳,稍向内为相当于黑心可锻铸铁的组织。我国古代炼钢是采用铸铁脱碳退火及反复锻打方法进行的,即所谓“百炼成钢”。随着炼钢的技术发展,热处理技术也得到了发展,1974年河北省易县燕下都出土了一批战国中、晚期钢铁兵器,据分析,其中的两把剑和一把戟都经过淬火处理,金相组织中有马氏体存在,这说明在这个中、晚期,我国已发明了淬火技术,在这些兵器中也发现曾进行过正火处理及淬火钢的回火处理。至西汉,我国的热处理技术已发展到相当水平,不仅能进行一般热处理,而且还能进行局部热处理。当时化学热处理主要是渗碳和碳氮共渗两个方面,例如出土的西汉中期刘胜(中山靖王)的佩剑和错金书刀内层碳的质量分数最低处为0.05%,而表面碳的分数确高达0.6%以上,有一定的碳浓度梯度,说明那时已有渗碳技术。

从汉代开始,我国的热处理技术已有文字记载,内容包括一般热处理技术、淬火介质及渗碳工艺等,几乎涉及热处理技术的各个方面。例如《史记.天官书》中载有:“火与水合为淬”,《汉书.王褒传》中记载有:“巧冶铸钢之璞,清水淬其锋”,其中“焠”、“淬”同义,均为淬火的意思。在《普书》中所记载“大厦龙雀”是被称为“名冠神都”和“威服九区”的利器,与西汉中期的刀剑相比,其组织均匀,含碳适中(均为0.6%-0.7%),经过淬火,刀口锋利,表面经过氧化处理,抗腐蚀性能良好。在淬火介质方面,三国(222~265)的蒲元和南北朝的綦母怀文都作过较大贡献。据《蒲元别传》所载蒲元在今陕西郿县一代的科谷为诸葛亮制剑三千把,他说“汉中的水钝弱,不任淬;蜀水爽烈”,于是派人到成都取水,淬之果然锋利。削装铁珠的竹筒“应手虚落,若雉生雏,称绝当世,因曰神刀”。《北史.艺术烈传》中记载了綦母怀文用牲畜之尿或脂(油)作淬火介质的史记;在《新唐书》卷222中谈到了用马血淬火;元朝《格致粗谈》中记有用地溲(可能是石油)淬火;清朝《续广博物志》第八卷谈到用一种硝黄、盐卤、人尿合成淬火剂,这些都说明我国在使用淬火介质方面已经积累了丰富的经验。在化学热处理方面也有记载,明代宋应星在《天工开物》卷十中谈到一种制针的渗碳工艺,渗碳在釜中进行,有消除应力过程,采用“松木、“火矢”、“豆豉”作渗碳剂,用试验针指示渗碳程度等,记载相当详细,已是成熟的工艺。明《便民图篆》卷十五制造类,清陈克怒《篆刻针度》卷七“练刀法”等分别介绍了几种膏剂渗碳法。此外还使用一些含碳剂,实际上是进行了碳氮共渗。

从上面出土文物的考证及一些文字的记载可以清楚的看出,我国热处理工艺历史悠久,其技艺曾发展到非常高超的程度,这是其他国家所不及的。作为中国热处理的工作者应当引以为荣。但是长期的封建统治,阻碍着我国科学的技术发展,也阻碍着热处理技术发展,在以后想当长的一段时间内,我国的热处理技术的发展处于停滞状态,有的技术甚至失传。直到20世纪50年代,由于社会主义制度解放了生产力,热处理技术在我国才又重新迅速发展起来。今天热处理技术已遍及各个生产部门,形成了一支庞大的专业队伍,并有相应的各级学术研究团体,每年均有热处理专业的研究生、大学生和中专毕业生参加工作。广大的热处理工作者正为祖国的现代化作出重大贡献。

在国外,历史上出现热处理技术较我国晚;但是在生产业革命以后,资本主义发展时期,热处理技术却得到迅速发展,特别是光学显微镜的出现,使借助显微镜来观察钢和铸铁组织成为可能例如19世纪中期,英国的索拜(H.C.Sorby)和德国的马登斯(A.Martens)等采用抛光,腐蚀等方法,并用光学显微镜成功的显示钢的显微组织大大地推动了热处理技术的发展,与此同时,俄国的切尔诺夫发现了钢的组织影响它本身的性质,并发现了钢在加热和冷却的过程中存在着组织变化的临界点为钢的热处理技术奠定了理论基础。不久,英国的奥斯丁和法国的奥斯特应用相应律建立了Fe-C平衡图,使得钢的热处理有了依据。1930年贝茵研究了过冷奥氏体的等温变化,建立了钢的过冷奥氏体等温转变曲线创立了等温淬火工艺,为以后制定各种热处理工艺提供了科学依据。至此,热处理才真正形成了一门较完整的科学。此后随着其他科学的技术发展,热处理技术也得到迅速发展。从热处理技术的发展过程中我们看到有如下特点:

(1)             实验手段和技术的不断完善,对金属中的组织转变规律及组织与性能之间的系得不断加深了解,从而发展了不少新的热处理工艺。例如,电子显微技术的发展,使我们不仅可以看到一般组织,而且可以看到组织内部微细结构,如马氏体内的亚结构等;从而了解到更细微的问题,发展了新的热处理工艺,如板条马氏体的应用、高温淬火、复相热处理等。

(2)             由于在基础理论方面不断取得成功,才能从本质上来认识金属组织与性能之间的关系,从而能动地发展热处理工艺。例如断裂物理和位错理论的成就,对发展金属强韧化热处理工艺起着指导作用。而位错理论目前不仅是强度理论的基础,也是相变理论的基础。

(3)             工业机械化、自动化的成就及表面化学的研究,发展了各种表面防护热处理及表面强化热处理。例如保护气氛热处理、真空热处理及渗碳、渗氮等可控化学热处理。

(4)             电子计算机、自动控制技术的发展,以及热处理工艺过程的教学模式和数字模拟的研究,使热处理工艺过程得以用计算机自适应控制和智能控制。

(5)             其他能源、技术的研发,使热处理工艺发展成为许多复合的工艺。如高频及超高频热处理、激光束热处理、变形热处理、等离职体基化热处理等。

到目前为止,我们可以把热处理工艺分为如下4大类:

(1)      普通热处理。即退火、正火、淬火和回火,以及固溶热处理和时效热处理等。这类热处理根据其热处理过程中是否采取防护及所采取的防护方法,又分为无保护热处理、保护气氛热处理及真空热处理等。

(2)      化学热处理。目前根据钢在热处理过程中所具有的组织状态而分为奥氏体化学热处理及铁素体化学热处理。

(3)      表面热处理。指仅在工件表面一定深度范围内进行热处理的一类热处理工艺,如各种表面淬火方法。

(4)      复合热处理。

当前金属及合金热处理发展的总趋势如下:

(1)      在金属及合金的总产量中,经热处理的部分所占比例不断增加。

(2)      成品、半成品零件热处理比率进一步增加

(3)      降低热处理能耗及热处理成本

(4)      减少排污,发展绿色热处理。

(5)      发展数字化的热处理智能技术。

为了新世纪科学技术和工业的发展需求,热处理技术水平也需相应提升。因此美国能源部提出的有关工业2020年远景报告中提出了以下目标:1、保证热处理质量、热处理质量分散度为零;2、热处理畸变为零;3、热处理能源利用率达到80%4、热处理对环境的影响为零;5、工艺时间减少50%,成本降低75%。为了达到这些目标,对热处理生产过程实现全面精确控制,并广泛采用热处理计算机模拟技术。

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