一、简答题1. 简述氯化钠(即食盐)水溶液的冷却性能。
氯化钠(食盐)水溶液是最常用的盐水,一般氯化钠的质量分数为5%~15%。食盐水溶液在500~650℃区间的冷却能力约为清水的2倍,能使工件淬火后得到高而均匀的硬度,而它在低温时的冷却速度则与清水差不多。由于盐水能使工件冷却均匀,因此用它作为淬火介质,可使工件获得高硬度,而且硬度均匀,可避免产生软点,变形、开裂倾向比清水小。缺点是工件淬火后容易生锈,必须及时仔细清洗。
2. 简述盐浴和碱浴淬火介质的冷却性能。
盐浴和碱浴都属于不发生物态变化的淬火介质。淬火时不会引起介质的汽化,所以在冷却过程中,无蒸气膜阶段和沸腾阶段,工件的冷却主要是通过介质的对流和传导来实现的。工件淬入这类介质中,开始冷却时,由于工件与介质间温差最大,所以冷却一开始就很快达到最大冷却速度,也就是说在高温区域它们的冷却速度较快;此后,随着温差的减小,其冷却能力逐渐降低,即低温区域冷却速度较慢。总之,它们的冷却速度主要取决于浴的化学成分、流动性以及与淬火工件之间的温差。这种冷却特性可以保证某些钢种和过冷奥氏体在高温区域不发生分解,而在低温区域又能以较低的速度发生马氏体转变,从而使工件的变形、开裂倾向大大减小。
3. 什么叫表面改性热处理?具体有哪些应用?
表面改性热处理,是利用各种物理的和化学的方法,使金属表面获得特殊的化学成分、组织结构和性能,从而达到提高金属工件或构件使用寿命的技术。
对于在弯曲、扭转以及各种交变载荷作用下服役的一些机械工件,如轴、曲轴、齿轮和凸轮等,其表面层承受的应力要比心部承受的应力高出许多,另外,在有摩擦作用时,这些工件还要受到不同程度的磨损。因此,在工程上必须想办法提高这些工件表面层的硬度、耐磨性和抗疲劳性,而在心部仍需保持较好的强度和韧性,使其能承受各种冲击载荷。此时,若采用常规的整体热处理的方法,就很难满足上述的要求,这就需要采用表面改性热处理。
4. 简述感应加热淬火的基本原理。
所谓感应加热淬火,就是利用感应电流通过工件所产生的热量,使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的淬火工艺。淬火时把工件放在铜质的感应器中,接上某一固定频率的交流电以产生电磁感应,其结果会在工件表层产生与感应器中电流相反的感应电流,这种感应电流沿工件表面形成封闭回路,称为涡流。在涡流及工件本身电阻的作用下,电能便在工件表层转化为热能,使表层很快升温至淬火温度,随后将工件立即进行快速冷却,就达到了表面淬火的目的。
5. 解释下列名词:集肤效应、邻近效应、环流效应及尖角效应。
集肤效应:当导体通过交流电时,其电流在导体截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大,中心的电流密度小,电流密度自表面向中心呈指数规律衰减,这种现象称为交流电的集肤效应。
邻近效应:当两个相邻导体通过电流时,若其电流方向相同,则由于它们所产生的交变磁场的相互作用,使得两个导体相邻一侧的感应反电动势最大,电流被驱向于导体外侧流过;相反,当电流方向相反时,电流被驱向于两导体相邻一侧,即内侧流过,这种现象称为邻近效应。
环流效应:当交变电流通过圆环状或螺旋状导体时,由于交变磁场的作用,使其外表面电流密度因自感反电动势增大而降低,而在圆环内侧的表面会获得最大的电流密度,这种现象称为环流效应。
尖角效应:当外形带有尖角、棱边及曲率半径较小的突出部分的工件置于感应器中加热时,即使感应器与工件之间的间隙相等,但由于在工件的尖角处和突出部分通过的磁力线密度较大,感应电流密度也较大,加热速度快,热量集中,这样会使工件的这些部位产生过热,甚至发生烧熔现象,这种现象称为尖角效应。
6. 感应加热淬火后工件的力学性能有什么特点?
感应加热后的工件在力学性能上有如下特点:
(1)硬度感应加热表面淬火后工件的硬度比常规淬火的要高出2~3HRC,这种现象称为超硬现象。产生超硬现象的原因,是由于加热速度极快,使晶粒充分细化的结果。这种现象若在200℃以上回火后,即不复存在了。
(2)疲劳强度感应加热表面淬火能有效地提高工件的抗弯强度、抗扭强度和疲劳强度。例如,对于小型工件能将使疲劳强度提高2~3倍,对于大型工件疲劳强度能提高20%~30%。这是因为工件表层经感应加热淬火获得的马氏体晶粒极为细小,碳化物弥散程度很高,并且产生了有利于提高疲劳强度的残留压应力。
(3)耐磨性经感应加热淬火后,工件的耐磨性要比常规淬火提高75%左右。其原因是感应加热淬火过程中氧化和脱碳较少,且淬硬层中马氏体晶粒细小。但是,感应加热淬火工件的耐磨性还不如渗碳工件。
7. 什么叫化学热处理?它和感应加热表面淬火有什么区别?
化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温,使一种或几种元素渗入至它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺方法。
尽管都是表面改性热处理,表面感应加热淬火是通过淬火的方法,提高工件表层的硬度;而化学热处理是通过改变工件表层的化学成分而改变工件表层的金相组织和力学性能,两者有本质的区别。
8. 什么叫渗碳?其目的是什么?
钢的渗碳就是将工件在渗碳介质中进行加热和保温,使活性碳原子渗入至钢件表面,使其表面获得一定碳的质量分数和一定浓度梯度的工艺。渗碳的目的是使机器工件获得高的表面硬度、耐磨性、高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
9. 什么叫渗氮?与渗碳相比渗氮工件有什么特点?
渗氮热处理,就是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入至工件表面,从而提高其硬度、耐磨性和疲劳强度的一种化学热处理方法。
与渗碳相比,渗氮工件具有如下特点:
(1)高硬度和高耐磨性 当采用含铝、铬的渗氮钢时,工件渗氮后表层的硬度可达1000~1200HV。相比而言,工件渗碳淬火后表层的硬度只有700~760HV。渗氮层由于硬度高,所以耐磨性也较高。尤其值得提出的是,渗氮层的高硬度可以保持到500℃左右,而渗碳层的硬度在200℃以上就会剧烈下降。
(2)高疲劳强度 这是由于渗氮层的残留应力比渗碳层大。试验证明,缺口试样渗氮后的疲劳强度可以与光滑试样渗氮后相媲美。
(3)变形小而规律性强 这是因为渗氮温度低,渗氮过程中工件心部没有发生相变,渗氮后又不需要任何热处理,能够引起工件变形的原因只有渗氮层的体积膨胀,所以其变形的规律性也较强。
(4)高的抗咬合性能 咬合是由于短时间缺乏润滑,过热的相对运动的两表面产生的卡死、擦伤或焊合现象。工件的渗氮层因其具有高硬度和高温硬度,可使其具有较好的抗咬合j生能。
(5)高的耐蚀性能 这种性能来自于渗氮层表面化学稳定性高而致密的化合物层,即通常所谓的白亮层。有时为了降低渗氮层的脆性而抵制了它的生成,工件的耐蚀性就不会提高。
渗氮的缺点是工艺过程时间较长,成本较高。如欲获得1mm深的渗碳层,渗碳处理仅需要6~9h;而欲获得0.5mm的渗氮层,渗氮处理常需要40~50h。另外,由于渗氮层较薄,也不能承受太大的接触应力。
10. 在热处理生产中,热处理后工件的清洗有何作用?
热处理工件的清洗一小部分为工件热处理前的预清洗,其作用是去除工件上的油渍和污垢。而大部分是工件热处理之后的清洗,其作用是去除工件在热处理之后残留在其表面上的盐垢、油渍和炭黑等污物,使工件达到光亮清洁的目的。
11. 什么叫喷丸处理?它有哪些作用?其适用范围如何?
以压缩空气作为动力,将玻璃丸或钢丸喷射到工件表面,使工件表面的氧化皮及污物脱落下来,这种清除氧化物及污物的方法称为喷丸处理。喷丸后,工件的表面光洁发亮,同时还能在工件表面产生残留压应力,提高工件的疲劳强度。由于钢丸或铁丸的强度较高、冲击力较大,因此,喷丸只适用于渗碳或碳氮共渗后经淬火的工件及其他高硬度工件的表面清理。硬度在40HRC以下的工件不能进行喷丸。硬度在40~55HRC之间的工件,喷丸时也不能处理得太久。另外,工具及形状复杂的工件也不宜进行喷丸。
12. 指出下列名词的区别:热应力与相变应力;内应力与残留应力。
1)工件在加热和(或)冷却时,由于不同部位存在着温度差别而导致热胀和(或)冷缩的不一致所引起的应力,称为热应力。而热处理过程中由于工件各部位相转变的不同时性所引起的应力,称为相变应力。
2)像热应力和相变应力这样由工件内部产生的应力,称为内应力。工件冷却完成后,在没有外力作用、工件各部位也没有温差的情况下,仍然存留在工件内部的应力,称为残留应力。
13. 简述下面简单畸变矫正方法及其应用:冷压校直法、加热校直法和热点校直法。
1)冷压校直法:在室温下对畸变工件的伸长边(即弯曲工件的凸起面)的最高点加一静压力,使原伸长边承受压应力,缩短边承受拉应力,直至产生塑性变形,从而使伸长边缩短,缩短边伸长,达到校直的目的。这种方法一般适用于硬度较低(40HRC以下)的轴类、长板类、薄片类工件校直,生产中常用于调质、正火、退火等热处理后工件的畸变校直。
2)加热校直法:用氧乙炔火焰对工件弯曲最大处(必须是硬度要求不高或不严格的部位)进行局部加热,然后再进行加压校直。如对高速钢钻头,对其柄部加热至暗红色然后加压校直,就容易矫正过来,且不会降低其硬度。
3)热点校直法:用氧乙炔火焰小面积加热工件的凸起(弯曲最大处)部分至暗红色,随后根据钢的化学成分进行急冷,如对于碳钢可用水冷,对于合金钢可用油冷,通过受热部位膨胀,急冷部位收缩,达到校直的目的。
14. 简述布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度的适用范围。
布氏硬度一般只适用于测定小于450HBS的金属材料,如铸铁、非铁金属及其合金、各种退火及调质的钢材,特别是对软金属,如铝、铅、锡等更为适宜。
洛氏硬度的测定操作简便迅速,可直接从刻度盘上读出硬度值;由于压痕小,可测定成品及薄工件,并且测试的硬度值范围大。
维氏硬度试验是一种较为精确的硬度试验方法,在热处理工件的质量检验中,主要利用其低载荷来测定不适合采用布氏和洛氏法来测定的薄工件和工件上薄的硬化层的硬度。
15. 简述退火、正火产生魏氏组织的原因及补救方法。
退火、正火时加热温度过高,保温时间过长,会促使工件在随后的快速冷却过程中形成粗大的魏氏组织,其特征是亚共析钢中的先共析铁素体或过共析钢中的先共析渗碳体从晶界出发,以针状或片状伸入晶内,而且定向分布在基体上,这种组织的力学性能比一般的粗大晶粒还要差,当钢中出现魏氏组织时,可以通过重新正火来消除。
16. 简述高铝砖耐火材料的化学成分、性能特点及应用情况。
高铝砖是由高铝矾土、硅线石、天然或人造刚玉、工业氧化铝等原料,经配料、混合和成形,最后再经高温焙烧而成。其特点是耐火度和荷重软化温度都比粘土质耐火砖高,使用温度可达1400~1650℃;属中性耐火材料,其抗渣性和热震稳定性较好。其缺点是热稳定性较低,重烧收缩较大,价格较贵。热处理炉中温度较高的区域,需要使用高铝砖,如电阻丝的搁砖一般都采用高铝砖。
17. 盐浴炉工作一段时间后为什么要脱氧和捞渣?
盐浴炉工作一段时间后,由于熔盐与空气中的氧和水以及与金属电极、工件和挂具等发生化学反应,会在盐浴中生成易使工件产生氧化或脱碳的金属氧化物。为了防止工件的氧化和脱碳,在热处理生产中,通常是在盐浴中定时加入校正剂对熔盐进行脱氧,以去除(沉淀)这些有害的金属氧化物,沉淀在炉膛底部的脱氧产物叫做炉渣。通常在脱氧后要进行捞渣,捞渣的彻底与否对工件的加热质量有着十分明显的影响。
18. 如何安装盐浴炉的热电偶?
盐浴炉中使用的热电偶的安装方式分为竖直式和水平式,前者适用于盐浴炉和箱式电阻炉测温,后者适用于井式电阻炉测温。其测量端伸入炉膛的长度不宜过短或过长。伸入部分过短,会影响测温的准确性;伸入部分过长,又容易被碰损或产生变形。一般情况下,伸入长度应大于保护管外径的8~10倍,但又不要超过500mm,露出部分应使用架子托牢,并在使用一段时间后,将其旋转180°可继续使用。
热电偶保护管与炉壁之间的空隙,须用耐火泥或耐火纤维进行堵塞,以免因气体对流而影响测量温度的准确性。按水平方式进行安装时,补偿导线与接线盒出线孔之间的空隙也应用耐火纤维塞紧,并使其朝向下方,以免污物落入。
安装在箱式电阻炉和井式电阻炉上的热电偶,一般不需要经常挪动。而对于盐浴炉,在其脱氧校正、捞渣、停炉或开炉时,都需要将热电偶取出、放入,挪动比较频繁。另外,为了避免热电偶因急热、急冷受损,热电偶的测量端应先在热处理炉的炉口上方充分烤热后,再放入炉内;同样,从炉中取出的热电偶,也应先放在炉口旁进行缓慢冷却。