摘要:待处理工件的成分影响光亮退火工艺的选择,主要探讨有很高表面光洁度要求的黄铜材质工件在去应力退火时光亮退火工艺的使用,对黄铜光亮退火的保护气氛、退火温度等作了分析,实验表明退火后的原料表面光亮度好,机械性能和晶粒度均匀。

关键词:光亮退火;锰黄铜;去应力退火;气体保护

中图分类号:TH 131.3;TH 161.14　　　文献标识码:B

前言

退火是机械加工中常见的热处理工艺,目的是使经过锻轧、焊接或切削加工的材料软化,提高其塑性和降低硬度,同时消除内应力,细化晶粒,为后续工序提供良好工艺性能的坯料。但随着制造工艺的进步和用户对机械产品要求的不断提高,普通的退火工艺已无法满足某些零件质量的要求。如航空液压泵上的滑履零件,它的表面要求在去应力退火处理后有很高的光洁度;普通的退火工艺会因为在零件表面生成氧化层等原因而无法达到这样高光洁度要求。而采用光亮退火工艺则可得到洁净的表面,而且还可以提高零件的耐磨性和疲劳强度。对于大部分金属及合金,光亮退火的工艺已十分成熟。但是,对于含锌锰(易氧化)较高的黄铜而言,光亮退火的工艺仍不很完善。

1.黄铜光亮退火工艺原理

光亮退火(又称光辉退火),由于真空退火成本太高,通常是在使用电炉(或气体燃料辐射管式加热炉)进行退火时通入一定成分的保护性气体,将工件同有害气体隔离,从而避免产生影响表面光洁度的化合物。

黄铜中锌锰含量较高,实现黄铜的光亮退火是比较困难的。目前大多采用净化放热式气氛对黄铜进行退火,但一般达不到光亮效果。特别是对含锌15%以上的高锌黄铜更不易达到光亮退火。这个问题长期以来一直未得到解决,分析其原因,是由于在炉内气氛中含有残余O2(反应式)、CO2(反应式)、H2O(反应式)CO(反应式)等杂质。而锌和氧具有很强的亲合力,锌和含锌合金在加热时会被空气、水蒸汽和二氧化碳氧化。尤其对黄铜还存在着“脱锌”现象。这些都是影响黄铜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)

黄铜中的锌还与水蒸气发生氧化还原反应,反应式:Zn+H2O=ZnO+H2.

为改善上述状况,在对黄铜进行光亮退火处理时,采用还原性保护气氛(炉气中含H2、CO等还原性成分多;即H2/H2O及CO/CO2的比值大。区别于炉气中含O2、CO2等氧化性组分多;H2/H2O及CO/CO2的比值小的氧化性保护气氛)或中性保护气氛(介于还原性保护气氛与氧化性保护气氛之间)中进行以隔绝O2、CO2等对工件表面的氧化。

在还原性气氛下,保护气中的H2、CO等还原性组分将空气中的O2、CO2等氧化性成分与退火工件隔离,并且同有可能生成的金属氧化物发生还原反应,避免工件表面生成氧化膜,影响光洁度。

还原反应式如下:

mMen/m+H2= nMe+H2O

mMen/mO1/m+CO = nMe+CO2

根据黄铜中合金元素的不同,诸如锌的含量,以及其他元素及其含量的差异都会对保护气氛、温度等因素有着不同的要求。针对黄铜繁杂的牌号,在实际应用中保护气的成分仍会有一定的不同。表1中列出的是对一些普通黄铜进行光亮退火时,所采用的保护气氛。

2.滑履件退火实验

以航空液压泵上的滑履(材料:锰黄铜HMn60- 3- 1)为例,由于其对工件的表面光洁度有很高的要求,所以在进行光亮退火处理时,采用氮氢混合气体(N270%,H2≤ 30%),以避免CO、CO2、O2等在光亮退火中对工件表面质量可能的影响。

2.1滑履件退火实验结果

见表2.

实验完成后,发现所得工件表面发暗、有黑色污渍。

2.2滑履件退火实验结果分析

①工件发暗是由于保护气压力较小,不能将原先残留的空气彻底排除干净,致使在加热过程中材料与空气中的氧气(反应式1)、二氧化碳(反应式2)等发生氧化作用,在表面生成氧化物膜,影响了光洁度。此外,很可能还发生了“脱锌”(当温度达到450℃是黄铜中合金元素锌的的析出现象)。

②表面黑色污渍为炭黑,是材料与CO发生反应(反应式4),所生成的炭黑沉积在了工件表面。

③此外,在富氢气氛下,金属吸氢导致工件裂纹、“氢脆”等有害现象,也应光亮退火过程中加以考量[3]。综上所述,实验中的错误基本来自中间过程的不当操作或失误。

2.3滑履光亮退火

对高锌黄铜及含锰较高的铜合金进行光亮退火时,很容易发生“脱锌”问题,而锌和氧具有很强的亲合力,极易与保护气中可能混杂的氧气、水蒸汽和二氧化碳等反应生成氧化锌膜,从而影响光洁度。所以为有效抑制黄铜中锌的析出,可在高压、快速加热的情况下,进行光亮退火[4]。

以HMn60- 3- 1锰黄铜的光亮退火为例:先通入N270%、H2≤ 30%的高压保护气氛,确保排尽残留的空气,然后在N270%、H2≤ 30%的还原性保护气氛保护下使用感应加热或电接触加热方法,迅速加热工件至480℃ ,并保温90min后冷却,可得光洁的表面。480℃ ,并保温90min后冷却,可得光洁的表面。

3.结论

光亮退火与传统的退火工艺相比可以达到很高的表面光洁度,这对提高退火件的耐磨性和疲劳强度有明显的效果。在对许多高精度零件,如航空液压泵上的滑履,在对工件进行去应力退火时采用还原性保护气氛光亮退火工艺,但要合理确定还原性保护气氛成分,才可保证退火热处理后,工件依然有光洁的表面。

来源：中国知网   作者：吕广昱

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