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工件在去應力退火時光亮退火工藝的使用,對黃銅光亮退火的保護氣氛、退火溫度等作了分析,實驗表明退火后的原料表面光亮度好,機械性能和晶粒度均勻。

關鍵詞:光亮退火;錳黃銅;去應力退火;氣體保護

中圖分類號:TH 131.3;TH 161.14　　　文獻標識碼:B

前言

退火是機械加工中常見的熱處理工藝,目的是使經過鍛軋、焊接或切削加工的材料軟化,提高其塑性和降低硬度,同時消除內應力,細化晶粒,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步和用戶對機械產品要求的不斷提高,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)進行退火時通入一定成分的保護性氣體,將工件同有害氣體隔離,從而避免產生影響表面光潔度的化合物。

黃銅中鋅錳含量較高,實現(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行退火,但一般達不到光亮效果。特別是對含鋅15%以上的高鋅黃銅更不易達到光亮退火。這個問題長期以來一直未得到解決,分析其原因,是由于在爐內氣氛中含有殘余O2(反應式)、CO2(反應式)、H2O(反應式)CO(反應式)等雜質。而鋅和氧具有很強的親合力,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,反應式:Zn+H2O=ZnO+H2.

為改善上述狀況,在對黃銅進行光亮退火處理時,采用還原性保護氣氛(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氣氛)或中性保護氣氛(介于還原性保護氣氛與氧化性保護氣氛之間)中進行以隔絕O2、CO2等對工件表面的氧化。

在還原性氣氛下,保護氣中的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,避免工件表面生成氧化膜,影響光潔度。

還原反應式如下:

mMen/m+H2= nMe+H2O

mMen/mO1/m+CO = nMe+CO2

根據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,在實際應用中保護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行光亮退火時,所采用的保護氣氛。

2.滑履件退火實驗

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,所以在進行光亮退火處理時,采用氮氫混合氣體(N270%,H2≤ 30%),以避免CO、CO2、O2等在光亮退火中對工件表面質量可能的影響。

2.1滑履件退火實驗結果

見表2.

實驗完成后,發(fā)現(xiàn)所得工件表面發(fā)暗、有黑色污漬。

2.2滑履件退火實驗結果分析

①工件發(fā)暗是由于保護氣壓力較小,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(反應式1)、二氧化碳(反應式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”(當溫度達到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(反應式4),所生成的炭黑沉積在了工件表面。

③此外,在富氫氣氛下,金屬吸氫導致工件裂紋、“氫脆”等有害現(xiàn)象,也應光亮退火過程中加以考量[3]。綜上所述,實驗中的錯誤基本來自中間過程的不當操作或失誤。

2.3滑履光亮退火

對高鋅黃銅及含錳較高的銅合金進行光亮退火時,很容易發(fā)生“脫鋅”問題,而鋅和氧具有很強的親合力,極易與保護氣中可能混雜的氧氣、水蒸汽和二氧化碳等反應生成氧化鋅膜,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%的高壓保護氣氛,確保排盡殘留的空氣,然后在N270%、H2≤ 30%的還原性保護氣氛保護下使用感應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.結論

光亮退火與傳統(tǒng)的退火工藝相比可以達到很高的表面光潔度,這對提高退火件的耐磨性和疲勞強度有明顯的效果。在對許多高精度零件,如航空液壓泵上的滑履,在對工件進行去應力退火時采用還原性保護氣氛光亮退火工藝,但要合理確定還原性保護氣氛成分,才可保證退火熱處理后,工件依然有光潔的表面。

來源：中國知網   作者：呂廣昱