摘要:待處理工件的成分影響光亮退火工藝的選擇,主要探討有很高表面光潔度要求的黃銅材質(zhì)工件在去應(yīng)力退火時光亮退火工藝的使用,對黃銅光亮退火的保護(hù)氣氛、退火溫度等作了分析,實(shí)驗表明退火后的原料表面光亮度好,機(jī)械性能和晶粒度均勻。
關(guān)鍵詞:光亮退火;錳黃銅;去應(yīng)力退火;氣體保護(hù)
中圖分類號:TH 131.3;TH 161.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
前言
退火是機(jī)械加工中常見的熱處理工藝,目的是使經(jīng)過鍛軋、焊接或切削加工的材料軟化,提高其塑性和降低硬度,同時消除內(nèi)應(yīng)力,細(xì)化晶粒,為后續(xù)工序提供良好工藝性能的坯料。但隨著制造工藝的進(jìn)步和用戶對機(jī)械產(chǎn)品要求的不斷提高,普通的退火工藝已無法滿足某些零件質(zhì)量的要求。如航空液壓泵上的滑履零件,它的表面要求在去應(yīng)力退火處理后有很高的光潔度;普通的退火工藝會因為在零件表面生成氧化層等原因而無法達(dá)到這樣高光潔度要求。而采用光亮退火工藝則可得到潔凈的表面,而且還可以提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。對于大部分金屬及合金,光亮退火的工藝已十分成熟。但是,對于含鋅錳(易氧化)較高的黃銅而言,光亮退火的工藝仍不很完善。
1.黃銅光亮退火工藝原理
光亮退火(又稱光輝退火),由于真空退火成本太高,通常是在使用電爐(或氣體燃料輻射管式加熱爐)進(jìn)行退火時通入一定成分的保護(hù)性氣體,將工件同有害氣體隔離,從而避免產(chǎn)生影響表面光潔度的化合物。
黃銅中鋅錳含量較高,實(shí)現(xiàn)黃銅的光亮退火是比較困難的。目前大多采用凈化放熱式氣氛對黃銅進(jìn)行退火,但一般達(dá)不到光亮效果。特別是對含鋅15%以上的高鋅黃銅更不易達(dá)到光亮退火。這個問題長期以來一直未得到解決,分析其原因,是由于在爐內(nèi)氣氛中含有殘余O2(反應(yīng)式)、CO2(反應(yīng)式)、H2O(反應(yīng)式)CO(反應(yīng)式)等雜質(zhì)。而鋅和氧具有很強(qiáng)的親合力,鋅和含鋅合金在加熱時會被空氣、水蒸汽和二氧化碳氧化。尤其對黃銅還存在著“脫鋅”現(xiàn)象。這些都是影響黃銅光亮退火效果的因素[1,2]。
2mnMe+O2=2nMeO2/n(1)
nMe+CO2= mMen/mO1/m+CO (2)
nMe+H2O = mMen/mO1/m+H2(3)
nMe+CO = mMen/mO1/m+C (4)
黃銅中的鋅還與水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng),反應(yīng)式:Zn+H2O=ZnO+H2.
為改善上述狀況,在對黃銅進(jìn)行光亮退火處理時,采用還原性保護(hù)氣氛(爐氣中含H2、CO等還原性成分多;即H2/H2O及CO/CO2的比值大。區(qū)別于爐氣中含O2、CO2等氧化性組分多;H2/H2O及CO/CO2的比值小的氧化性保護(hù)氣氛)或中性保護(hù)氣氛(介于還原性保護(hù)氣氛與氧化性保護(hù)氣氛之間)中進(jìn)行以隔絕O2、CO2等對工件表面的氧化。
在還原性氣氛下,保護(hù)氣中的H2、CO等還原性組分將空氣中的O2、CO2等氧化性成分與退火工件隔離,并且同有可能生成的金屬氧化物發(fā)生還原反應(yīng),避免工件表面生成氧化膜,影響光潔度。
還原反應(yīng)式如下:
mMen/m+H2= nMe+H2O
mMen/mO1/m+CO = nMe+CO2
根據(jù)黃銅中合金元素的不同,諸如鋅的含量,以及其他元素及其含量的差異都會對保護(hù)氣氛、溫度等因素有著不同的要求。針對黃銅繁雜的牌號,在實(shí)際應(yīng)用中保護(hù)氣的成分仍會有一定的不同。表1中列出的是對一些普通黃銅進(jìn)行光亮退火時,所采用的保護(hù)氣氛。
2.滑履件退火實(shí)驗
以航空液壓泵上的滑履(材料:錳黃銅HMn60- 3- 1)為例,由于其對工件的表面光潔度有很高的要求,所以在進(jìn)行光亮退火處理時,采用氮?dú)浠旌蠚怏w(N270%,H2≤ 30%),以避免CO、CO2、O2等在光亮退火中對工件表面質(zhì)量可能的影響。
2.1滑履件退火實(shí)驗結(jié)果
見表2.
實(shí)驗完成后,發(fā)現(xiàn)所得工件表面發(fā)暗、有黑色污漬。
2.2滑履件退火實(shí)驗結(jié)果分析
①工件發(fā)暗是由于保護(hù)氣壓力較小,不能將原先殘留的空氣徹底排除干凈,致使在加熱過程中材料與空氣中的氧氣(反應(yīng)式1)、二氧化碳(反應(yīng)式2)等發(fā)生氧化作用,在表面生成氧化物膜,影響了光潔度。此外,很可能還發(fā)生了“脫鋅”(當(dāng)溫度達(dá)到450℃是黃銅中合金元素鋅的的析出現(xiàn)象)。
②表面黑色污漬為炭黑,是材料與CO發(fā)生反應(yīng)(反應(yīng)式4),所生成的炭黑沉積在了工件表面。
③此外,在富氫氣氛下,金屬吸氫導(dǎo)致工件裂紋、“氫脆”等有害現(xiàn)象,也應(yīng)光亮退火過程中加以考量[3]。綜上所述,實(shí)驗中的錯誤基本來自中間過程的不當(dāng)操作或失誤。
2.3滑履光亮退火
對高鋅黃銅及含錳較高的銅合金進(jìn)行光亮退火時,很容易發(fā)生“脫鋅”問題,而鋅和氧具有很強(qiáng)的親合力,極易與保護(hù)氣中可能混雜的氧氣、水蒸汽和二氧化碳等反應(yīng)生成氧化鋅膜,從而影響光潔度。所以為有效抑制黃銅中鋅的析出,可在高壓、快速加熱的情況下,進(jìn)行光亮退火[4]。
以HMn60- 3- 1錳黃銅的光亮退火為例:先通入N270%、H2≤ 30%的高壓保護(hù)氣氛,確保排盡殘留的空氣,然后在N270%、H2≤ 30%的還原性保護(hù)氣氛保護(hù)下使用感應(yīng)加熱或電接觸加熱方法,迅速加熱工件至480℃ ,并保溫90min后冷卻,可得光潔的表面。480℃ ,并保溫90min后冷卻,可得光潔的表面。
3.結(jié)論
光亮退火與傳統(tǒng)的退火工藝相比可以達(dá)到很高的表面光潔度,這對提高退火件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度有明顯的效果。在對許多高精度零件,如航空液壓泵上的滑履,在對工件進(jìn)行去應(yīng)力退火時采用還原性保護(hù)氣氛光亮退火工藝,但要合理確定還原性保護(hù)氣氛成分,才可保證退火熱處理后,工件依然有光潔的表面。