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1、热处理基础,1 热处理定义,2 热处理工艺介绍,3 热处理硬度检查,4 常用金属材料,返回,中山三民技术课,金属材料是目前应用最广泛的一种工程材料，具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。具有：强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽等特性。下面就介绍金属材料的热处理基础知识。,1.热处理的定义,热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。,金属材料性能的决定因素：化学成分、内部组织。其中“化学成分”是改变性能的基础，“热处理”是改变性能的手段，“组织”是性能变化的根据。,热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。如图
2、1-1所示是最基本的热处理工艺曲线。,只有通过正确的热处理工艺，才能得到一定的组织，获得预期的性能。,渗氮,表面热处理,整体热处理,热处理,退火 正火 淬火 回火 固溶处理 固溶处理和时效 气体渗碳 固体渗碳 气体碳氮共渗 液体碳氮共渗 化学热处理 气体渗氮 离子渗氮 气体氮碳共渗 液体氮碳共渗(盐浴软氮化）其他(如磷化、染黑、渗铝、渗钒、熔射等等)表面淬火+回火（高频淬火、火焰淬火）物理/化学气相沉积,2、热处理工艺分类,2.1 整体热处理,整体热处理常见的工艺为退火、正火、淬火、回火等,.退火 退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组
3、织的热处理工艺。,退火的目的：,1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；,2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；,3）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。,退火的分类：各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图2-1所示。,图2-1 退火正火工艺规范示意图,1）完全退火。加热到Ac3以上20300C，保温，缓冷至6000C以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。,2）球化退火。使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。
4、将工件加热到Ac1以上20300C，保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳,体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。,图2-2 退火正火工艺规范示意图,3)去应力退火。为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为6006500C，铸铁件为500550C，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。,4）扩散退火(均匀化退火)。将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。,2.1.2正火 正火是将工件加热到Ac3（亚
5、共析钢）或Accm（过共析钢）以上30500C，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。,正火主要应用于：,1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；,2）对低碳钢和低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；,3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。,2.1.3.淬火 淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮。淬火质量取决于
6、加热温度和冷却方式。,1）淬火加热温度。根据钢材的化学成分决定，亚共析钢在Ac3以上30500C，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体。若温度低于Ac3，将出现自由铁素体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。共析钢和过共析钢加热温度在Ac1以上30500C，得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。,2）淬火冷却方法。冷却介质对淬火效果有很大影响，常用的有水、油和盐、碱的水溶液。水用于形状简单、截面较大的碳素钢工件。油用于合金钢和复杂的碳素钢。常用淬火方法如图1-3所示。1表示单液淬火，2表示双液淬火，3表示分级淬火，4表示等温淬火。例如：P863 防钻板（材料65Mn）采用盐
7、浴等温淬火，改善变形。C453方舌组件（Q235)采用渗碳水淬,3）淬透性和淬硬性。,图2-3 常用淬火方法示意图,淬透性：钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。淬硬性：钢淬火时能达到的最高硬度。,2.1.4.回火 回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,回火目的：淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬火马氏体是不稳定的组织，它有变为稳定状态的趋势，而使零件尺寸变化，并存在内应力，零件容易变形和开裂。为此利用回火来达到以下目的：,1）减少和消除淬火应力；,2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂；
8、,3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。,回火的种类及应用：,1）低温回火。加热温度为1502500C，得到碳的过饱和程度稍小的固溶体回火马氏体，硬度较高，在HRC5864之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。,2）中温回火。加热温度为3505000C，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物回后火托氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在HRC3545；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。,3）高温回火。加热温度为5006500C，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物-回火索氏体，有较高的强度和硬度，又有较好的
9、韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。,2.2.化学热处理,是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。将工件置于一定温度下的含碳、氮或其它合金元素的活性介质(气体、液体、固体)中加热和保温，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。提高工件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性能等等。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗铝、渗硼、渗釩等。,渗碳,在富碳的介质中使碳渗入低碳钢（C0.1%0.3%）或低合金钢的表面，使表面层碳浓度达到0.81.2%，再经过淬火和回火后，表面层获得高的硬度、耐磨性和
10、疲劳强度，而心部保持高的韧性。发生下列化学反应：C+O2CO2 CO2+C 2CO 2CO CO2+C,碳氮共渗,在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表面，并以渗碳为主的化学热处理工艺。优点 碳氮共渗与渗碳相比，主要有如下优点：1.渗层性能好。两者渗层硬度差别不大，但碳氮共渗层的 耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。2.渗入速度快。碳、氮原子同时渗入，能相互促进渗入过程;3.工件变形小。碳氮共渗温度一般低于渗碳温度。,三民公司有盐浴碳氮共渗、多用炉渗碳、多用炉碳氮共渗等加工方式。,3.硬度检查 硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有
11、布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,1）布氏硬度HBS(HBW)。布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图3-1示。,图3-1 布氏硬度实验原理图,在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为HBS，适用于布氏硬度450以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBW，适用于布氏硬度650以下的材料。优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。,2）洛氏硬度 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值
12、的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用HRA、HRB和HRC来表示。表面洛氏硬度HR15N、HR30N、HR45N、HR15T等等 HRC采用顶角为120的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为20-67HRC；HRA采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为70-85HRA；HRB采用直径1.588mm的钢球，100kgf的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。,洛氏硬度优缺点优点：1.洛氏硬度有许多不同的标尺，压头有硬质
13、、软质多种，可以测出从极软到极硬材料的硬度；2.压痕小，可在成品零件上检测；3.测量迅速简便 缺点：洛氏硬度有许多不同的标尺，其硬度值无法统一,3）维氏硬度HV 测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角136的金刚石正四棱锥体。维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅。适用于低载荷维氏硬度测定表面淬火时硬化层深度和渗碳、渗氮件表面硬度以及小件、薄件硬度等。优缺点：1.试验载荷可任意选择，(从1kg50kg,以及10g1000g)故可测硬度范围宽，2.材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。3.工作效率较低。,4 金属材料的分类,金属材料,碳素钢合金钢,碳素结构钢碳素工具钢,合金结构钢合金工具
14、钢特殊性能钢,铸铁：灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁有色金属：铜合金、铝合金等,钢,4.1碳素钢的分类及牌号,4.2 合金钢分类和牌号,4.2.1.分类,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,建筑及工程用钢或构件用钢,机器制造用钢,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,刃具钢,模具钢,量具钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,磁钢,按用途分:,合金钢的牌号1）低合金高强度结构钢Q295、Q345、Q390、Q4602）合金结构钢（1）渗碳钢 20Cr、SCM415、20Mn2、20MnV、20CrMnTi等（2）调质钢 40Cr、42SiMn、35CrMo等（3）弹簧钢 65Mn、60Si2Mn（4）滚动轴承钢 GCr9、GCr9SiMn、GCr15等（5）低合金刃具钢 9SiCr、9Mn2V等（6）高速钢 W18Cr4V 不锈钢牌号前的数字表示平均碳质量分数的千倍。当 Wc0.03%或Wc0.08%者，在牌号前分别冠以“00”或“0”。,
