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干貨分享:金屬材料熱處理基礎知識

熱處理定義:鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內的加熱、保溫和冷卻,以改變其內部組織,從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機械和工藝性能的一種操作。

熱處理目的:

1、提高金屬材料的力學(xué)性能,充分發(fā)揮材料的潛力,節約材料、延長(cháng)零件使用壽命。

2、消除材料殘余應力,改善金屬的切削加工性能。

加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是熱處理最重要的三個(gè)基本工藝因素。

退火

1、定義:將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當的溫度,保持一定時(shí)間,然后緩慢冷卻以達到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。

2、目的:降低硬度,均勻化學(xué)成分、改善切削加工性能和冷塑性變形性能、消除或減少內應力、為零件最終熱處理準備合適的內部組織。

3、分類(lèi)

球化退火:為使工件中的碳化物球狀化而進(jìn)行的退火。

去應力退火:為去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內應力及鑄件內存在的殘余應力而進(jìn)行退火。

正火

1、定義:將鋼材或鋼件加熱到一定溫度,保溫適當時(shí)間,使之完全奧氏體化,然后在空氣中冷卻,以得到珠光體組織的熱處理工藝。

2、目的:改善切削性能,消除毛坯內應力,細化晶粒、提高硬度、獲得比較均勻的組織和性能。

退火和正火的區別

退火和正火屬于預備熱處理工藝,對于含碳量相同的工件,正火后的強度和硬度要高于的退火的。

例如:含碳量大于0.5%的碳鋼和合金鋼,為降低硬度便于切削加工采用退火處理;含碳量低于0.5%的低碳鋼和低合金鋼,為避免硬度過(guò)低切削時(shí)粘刀,而采用正火適當提高硬度。

一般用于鍛件、鑄件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后,粗加工之前進(jìn)行。

滲碳

1、定義:為提高工件表層的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,在滲碳爐中將低碳鋼在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫,使碳原子滲入工件表面,然后進(jìn)行淬火的化學(xué)熱處理工藝。

2、目的:使低碳鋼的表面層含碳量增加到0.85~1.10%,然后再經(jīng)淬火、低溫回火處理以消除應力并穩定組織,使鋼件表面層具有高硬度(HRc56~62),增加耐磨性及疲勞強度等。而心部仍保持原有的塑性和韌性。

3、應用:滲碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的鋼種,滲碳層的深度是根據零件的要求不同,一般為0.2~2mm。

設計時(shí)可根據工件尺寸和心部強度要求來(lái)選擇材料和滲碳層深度。

滲碳層深的選擇要根據實(shí)際需要進(jìn)行設計,以節約成本。

層深的增加意味著(zhù)滲碳時(shí)間的延長(cháng),齒輪一般是根據經(jīng)驗公式來(lái)設計層深。

淬火

1、定義:將鋼加熱到臨界溫度以上,保溫一定時(shí)間使其奧氏體化,以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻的工藝。

2、淬火目的:

提高硬度和耐磨性:刀具、量具、磨具

提高強韌性:軸類(lèi)、桿件、銷(xiāo)、受力件

提高彈性:各類(lèi)彈簧

提高耐蝕和耐熱性:耐熱鋼和不銹鋼

3、淬火分類(lèi)

按加熱溫度:完全淬火、不完全淬火、循環(huán)加熱淬火

按加熱介質(zhì)及熱源條件:鹽浴加熱淬火、火焰加熱淬火、感應加熱淬火、高頻脈沖淬火、接觸電加熱淬火等

按淬火部位:整體淬火、局部淬火、表面淬火等

按冷卻方式:?jiǎn)我捍慊、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、預冷淬火等

4、工藝過(guò)程:

冷卻速度是鋼在淬火過(guò)程中最主要的因素,它直接影響淬火產(chǎn)物和性能。

一方面冷卻速度要大于臨界冷卻速度,以保證全部得到馬氏體組織;另一方面冷卻應盡量緩慢,以減少內應力,避免工件變形和開(kāi)裂。

為了解決上述矛盾,可以采用不同的冷卻介質(zhì)和冷卻方法,使淬火工件在奧氏體最不穩定的溫度范圍內(650℃~550℃)快冷,超過(guò)臨界冷卻速度,以防珠光體類(lèi)型轉變發(fā)生;而在馬氏體轉變區域范圍內(300℃~100℃),則冷卻減慢,以減少淬火工件產(chǎn)生的應力。

5、不同淬火溫度下的內部組織

在完全淬火時(shí),鋼的淬火組織主要是由馬氏體組成

在不完全淬火時(shí)亞共析鋼得到馬氏體和鐵素體組成的組織

當奧氏體中含碳質(zhì)量分數大于0.5%時(shí),淬火組織為馬氏體和殘余奧氏體。

過(guò)共析鋼得到馬氏體和滲碳體的組織。

亞共析鋼用不完全淬火是不正常的,因為這樣不能達到最高硬度。而過(guò)共析鋼采用不完全淬火則是正常的,這樣可使鋼獲得最高的硬度和耐磨性。

在適宜的加熱溫度下,淬火后得到的馬氏體呈細小的針狀;若加熱溫度過(guò)高,其形成粗針狀馬氏體,使材料變脆甚至可能在鋼中出現裂紋。

6、一般淬火件的工藝路線(xiàn):

下料—鍛造—正火(退火)—粗加工—調質(zhì)—半精加工—表面淬火—精加工

表面淬火

1、定義:是成本最低的表面硬化處理方法,工藝簡(jiǎn)單而靈活,適合局部處理,特別適合于提高耐磨性的場(chǎng)合。由于只加熱表面層,心部強度保持著(zhù)淬火前的狀態(tài)。

2、目的:提高材料的硬度、強度和耐磨性,而心部保持良好的塑性和韌性。表面淬火后零件表面將產(chǎn)生很大的殘余壓應力,因而使材料的疲勞強度大大提高。但需要注意的是,表面淬火區域的起始點(diǎn)和終結點(diǎn)處于殘余拉應力狀態(tài)下,此處的疲勞強度因此大大降低。設計時(shí)要考慮殘余拉應力不可留在齒根處、軸的過(guò)渡圓角處等零件應力集中部位, 以免工作應力與殘余拉應力疊加造成零件裂紋或斷裂。

3、工藝過(guò)程:表面淬火一般工藝是高頻感應加熱、中頻感應加熱或火焰加熱, 噴水冷卻, 然后進(jìn)行低溫回火。

4、應用:淬硬深度一般是:高頻淬火1~2mm;中頻淬火2~6mm。一般用于中碳以上結構鋼和合金鋼主軸、齒輪等零件。當工件淬火后,表面硬度高,除磨削外,一般不能進(jìn)行其它切削加工。因此工序應盡量靠后,一般安排在半精加工之后,磨削加工之前。

回火

1、定義:回火是將淬火后的鋼件加熱到指定的回火溫度,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保溫后,空冷到室溫的熱處理操作;鼗饡r(shí)引起馬氏體和殘余奧氏體的分解。

2、目的:

⑴減少或消除淬火內應力, 防止變形或開(kāi)裂。

⑵獲得所需要的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高,脆性大,回火可調整硬度、韌性。

⑶穩定尺寸。

⑷對于某些高淬透性的鋼,空冷即可淬火,如采用回火軟化既能降低硬度,又能縮短軟化周期。

3、分類(lèi):鋼淬火后都需要進(jìn)行回火處理,回火溫度取決于最終所要求的組織和性能(工廠(chǎng)常根據硬度的要求),通常按加熱溫度的高低,回火可分為以下三類(lèi)。

(1)低溫回火:加熱溫度為150℃~250℃。低溫回火組織為回火馬氏體,馬氏體內析出碳化物形成回火馬氏體,殘余奧氏體也轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體;鼗瘃R氏體易受侵蝕,組織呈暗色針狀;鼗瘃R氏體具有高的強度和硬度,而韌性和塑性較淬火馬氏體有明顯改善。

其目的主要是降低淬火鋼中的內應力,減少鋼的脆性,同時(shí)保持鋼的高硬度和耐磨性。常用于高碳鋼制的切削工具、量具和滾動(dòng)軸承件及滲碳處理后的零件等。

(2)中溫回火:加熱溫度為350℃~500℃。中溫回火組織為回火屈氏體,它是由鐵素體和粒狀滲碳體組成的極細密混合物;鼗鹎象w有較好的強度,最高的彈性,較好的韌性。

其目的主要是獲得高的彈性極限,同時(shí)有高的韌性。主要用于各種彈簧熱處理。

(3)高溫回火:加熱溫度為500℃~650℃。高溫回火組織的回火索氏體,它是由粒狀滲碳體和等軸形鐵素體組成混合物;鼗鹚魇象w具有強度、韌性和塑性較好的綜合機械性能。

其目的主要是獲得既有一定的強度、硬度,又有良好的沖擊韌性的綜合機械性能。通常把淬火后加高溫回火的熱處理稱(chēng)做調質(zhì)處理。主要用于處理中碳結構鋼,即要求高強度和高韌性的機械零件,如軸、連桿、齒輪等。

調質(zhì)

1、定義:工件淬火并高溫回火的復合熱處理工藝,。

2、目的:使材料獲得較好的強度、塑性和韌性等方面的綜合機械性能,用于各種中碳結構鋼和中碳合金鋼。調質(zhì)一般安排在粗加工之后,半精加工之前,并為以后熱處理作準備。

大部分的零件都是通過(guò)調質(zhì)處理來(lái)提高材料的綜合機械性能,即提高拉伸強度、屈服強度、斷面收縮率、延伸率、沖擊功。

3、應用:調質(zhì)處理能大大提高材料的拉伸和屈服強度, 提高屈強比和沖擊功,使材料具有強度和塑韌性的良好配合。一般來(lái)講調質(zhì)鋼應該為中碳鋼( C = 0.3%~0.6%);碳鋼中像30、35、40、45、50等鋼種則既可以調質(zhì)處理又可以正回火使用;而對高碳鋼和低碳鋼則不宜采用調質(zhì)工藝

4、工藝過(guò)程:首先需要將零件加熱到一定溫度,保溫一定時(shí)間,然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進(jìn)行回火(500~650℃),以降低淬火應力、調整組織成份,進(jìn)而達到機械性能要求。

馬氏體:鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強度。

鐵素體:鐵素體的塑性、韌性很好,但強度、硬度較低。其力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。

奧氏體:奧氏體常存在于727℃以上,是鐵碳合金中重要的高溫相,強度和硬度不高,但塑性和韌性很好,易鍛壓成形。

滲碳體:滲碳體中碳的質(zhì)量分數為6.69%,熔點(diǎn)為1227℃,硬度很高,塑性和韌性極低,脆性大。滲碳體是鋼中的主要強化相,其數量、形狀、大小及分布狀況對鋼的性能影響很大。

珠光體:存在于鋼的退火或正火組織中,粒狀珠光體:在鐵素體基體上分布著(zhù)粒狀滲碳體的兩相機械混合物稱(chēng)為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到,也可以通過(guò)淬火加回火處理得到。

各種組織的硬度性能指標范圍如下:

珠光體10~20HRC

索氏體22~25HRC

屈氏體36~42HRC

馬氏體62~65HRC

回火馬氏體約60HRC

回火屈氏體40~48HRC

回火索氏體25~35HRC。

氮化處理

1、定義:滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。

2、目的:提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕性。

3、特點(diǎn):氮化工藝最大的特點(diǎn)是熱處理變形小,硬化層淺,特別適用于與調質(zhì)工藝相結合提高零件的疲勞強度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態(tài),防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件, 比如軸等。

4、應用:原則上講任何鋼種都可以進(jìn)行氮化處理,但是最常用的氮化鋼是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等,氮化后一般可不加工,設計時(shí)應盡可能采用整體氮化處理,因為氮化層本身對使用來(lái)說(shuō)只有益處,沒(méi)必要加工處理掉。

5、工藝要求:氮化是在氮化爐中進(jìn)行,因此變形小,氮化硬度要根據材質(zhì)而定。。此外,氮化前必須進(jìn)行調質(zhì)處理,以提高心部的機械性能,為氮化做組織準備。

鋼的淬透性

1、淬透性:鋼在淬火時(shí)能夠獲得馬氏體的能力。其大小是用規定條件下淬硬層深度來(lái)表示。鋼材本身的固有屬性,與外部因素無(wú)關(guān)

2、淬硬層深度:由工件表面到半馬氏體區的深度。工件的淬透深度取決于鋼材淬透性, 還與冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因素有關(guān)。

3、影響淬透性的因素:臨界冷卻速度,取決于材料化學(xué)成分。一般而言,碳鋼的淬透性差,合金鋼的淬透性好,且合金元素含量越高,淬透性越好

硬度

硬度是指金屬材料抵抗比它硬的物體壓入其表面的能力。

硬度越高,表明金屬抵抗塑性變形的能力越大。它是重要的力學(xué)性能指標之一,它與強度、塑性指標之間有著(zhù)內在的聯(lián)系。

常用的硬度試驗方法有:

布氏硬度試驗——主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗,也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測定。所用設備為布氏硬度計。

洛氏硬度試驗——主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢測。所用設備為洛氏硬度計。

維氏硬度試驗——主要用于薄板材或金屬表層的硬度測定,以及較精確的硬度測定。所用設備為維氏硬度計。

顯微硬度試驗——主要用于測定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用設備為顯微硬度計。

布氏硬度試驗

用載荷為P的力,把直徑為D的淬火鋼球壓入金屬試件表面,并保持一定時(shí)間,而后卸除載荷,測量鋼球在試件表面上所壓出的壓痕直徑d,據此計算出壓痕球面積F,然后再計算出單位面積所受的力(P/F值),用此數字表示試件的硬度值,即為布氏硬度,用符號 HB表示。

布氏硬度試驗原理如圖3-11所示。

設壓痕深度為h則壓痕球面積為

試樣硬度值為:

式中

——施加的載荷,kg或N;

——壓頭(鋼球)直徑,mm;

——壓痕直徑,mm;

——壓痕面積,mm2。

布氏硬度值的大小就是壓痕單位面積上所承受的壓力。單位為kg/mm2或N/mm2,但一般不標出。

硬度值越高,表示材料越硬。實(shí)驗室只要測出壓痕直徑d(毫米),通過(guò)計算或查表即可得出HB值。

布氏硬度試驗的優(yōu)缺點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn):硬度值代表性全面,由于壓痕面積較大,能反映較大范圍內材料的平均性能。試驗數據穩定,數據重復性強。

缺點(diǎn):采用的壓頭是淬火鋼球,由于鋼球本身的變形和硬度問(wèn)題,致使不能測試太硬的材料。一般在450HB以上就不能使用。由于壓痕較大,不適宜成品檢驗。

布氏硬度試驗常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等的原材料以及結構鋼調質(zhì)后的硬度。

洛氏硬度試驗

洛氏硬度試驗是目前應用最廣的試驗方法,和布氏硬度一樣,也是一種壓入硬度試驗,但它不是測定壓痕的面積,而是測量壓痕的深度,以深度的大小表示材料的硬度值。

洛氏硬度試驗的壓頭采用錐角為120º的金剛石圓錐頭或直徑為1.588毫米(1/16英寸)的鋼球。載荷先后兩次施加,先加預載荷P0,然后加主載荷P1,在總載荷的作用下,將壓頭壓入金屬材料表面來(lái)進(jìn)行的硬度測定。其總載荷為P(P=P0+P1)。

金屬越硬,壓痕深度越;金屬越軟,壓痕深度越大。為了適應人們習慣上數值越大硬度越高的概念,人為的規定,用一常數K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標,并規定每0.002毫米為一個(gè)洛氏硬度單位。用符號HR表示,則洛氏硬度值為:HR =(K-h(huán))/0.002

此值為一無(wú)名數。并可從硬度計的表盤(pán)指示器上直接讀出。

使用金剛石壓頭時(shí),常數K為0.2毫米,黑色表盤(pán)刻度所示;

使用鋼球壓頭時(shí),常數K為0.26毫米,紅色表盤(pán)刻度所示。

為了可以用一種硬度計測定出從軟到硬的金屬材料硬度,采用了不同的壓頭和總載荷,組合成幾種不同的洛氏硬度標度,每一種標度用一個(gè)字母在硬度符號HR后加以注明,常用的是HRA、HRB、HRC三種。

各種洛氏硬度值之間不能直接進(jìn)行比較,但可通過(guò)實(shí)驗測定的換算表(略)進(jìn)行相對比較。

各種洛氏硬度之間,洛氏硬度和布氏硬度值間都有一定的換算關(guān)系。對于鋼鐵材料,大致有下列關(guān)系式:

HRC = 2HRA-104

HB = 10HRC (HRC = 40~60范圍)

HB = 2HRB

洛氏硬度試驗方法的優(yōu)缺點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn):操作迅速簡(jiǎn)便,壓痕較小,可在工件表面進(jìn)行試驗,可以各種金屬材料的硬度,也可以測量較薄工件或表面薄層的硬度。

缺點(diǎn):壓痕較小,代表性差,由于材料中有偏析及組織不均勻等情況,使所測硬度值的重復性差,分散度較大。


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