干貨分享:金屬材料熱處理基礎(chǔ)知識(shí)
熱處理定義:鋼的熱處理就是利用鋼在固態(tài)范圍內(nèi)的加熱、保溫和冷卻,以改變其內(nèi)部組織,從而獲得所需要的物理、化學(xué)、機(jī)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(jié)約材料、延長零件使用壽命。
2、消除材料殘余應(yīng)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(dāng)?shù)臏囟,保持一定時(shí)間,然后緩慢冷卻以達(dá)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(nèi)應(yīng)力、為零件最終熱處理準(zhǔn)備合適的內(nèi)部組織。
3、分類
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(yīng)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(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)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(dāng)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(nèi)應(yīng)力,細(xì)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(qū)別
退火和正火屬于預(yù)備熱處理工藝,對于含碳量相同的工件,正火后的強(qiáng)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,為避免硬度過低切削時(shí)粘刀,而采用正火適當(dāng)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(yīng)力并穩(wěn)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(qiáng)度等。而心部仍保持原有的塑性和韌性。
3、應(yīng)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(jù)零件的要求不同,一般為0.2~2mm。
設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工件尺寸和心部強(qiáng)度要求來選擇材料和滲碳層深度。
滲碳層深的選擇要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì),以節(jié)約成本。
層深的增加意味著滲碳時(shí)間的延長,齒輪一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)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(qiáng)韌性:軸類、桿件、銷、受力件
提高彈性:各類彈簧
提高耐蝕和耐熱性:耐熱鋼和不銹鋼
3、淬火分類
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(yīng)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:單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、預(yù)冷淬火等
4、工藝過程:
冷卻速度是鋼在淬火過程中最主要的因素,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(yīng)盡量緩慢,以減少內(nèi)應(yīng)力,避免工件變形和開裂。
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(wěn)定的溫度范圍內(nèi)(650℃~550℃)快冷,超過臨界冷卻速度,以防珠光體類型轉(zhuǎn)變發(fā)生;而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域范圍內(nèi)(300℃~100℃),則冷卻減慢,以減少淬火工件產(chǎn)生的應(yīng)力。
5、不同淬火溫度下的內(nèi)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(dāng)奧氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時(shí),淬火組織為馬氏體和殘余奧氏體。
過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?yàn)檫@樣不能達(dá)到最高硬度。而過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(xì)小的針狀;若加熱溫度過高,其形成粗針狀馬氏體,使材料變脆甚至可能在鋼中出現(xiàn)裂紋。
6、一般淬火件的工藝路線:
下料—鍛造—正火(退火)—粗加工—調(diào)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,工藝簡單而靈活,適合局部處理,特別適合于提高耐磨性的場合。由于只加熱表面層,心部強(qiáng)度保持著淬火前的狀態(tài)。
2、目的:提高材料的硬度、強(qiáng)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(yīng)力,因而使材料的疲勞強(qiáng)度大大提高。但需要注意的是,表面淬火區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)下,此處的疲勞強(qiáng)度因此大大降低。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮殘余拉應(yīng)力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應(yīng)力集中部位, 以免工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力疊加造成零件裂紋或斷裂。
3、工藝過程:表面淬火一般工藝是高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱或火焰加熱, 噴水冷卻, 然后進(jìn)行低溫回火。
4、應(yīng)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(jié)構(gòu)鋼和合金鋼主軸、齒輪等零件。當(dāng)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(yīng)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(nèi)應(yīng)力, 防止變形或開裂。
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(diào)整硬度、韌性。
⑶穩(wěn)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: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(工廠常根據(jù)硬度的要求),通常按加熱溫度的高低,回火可分為以下三類。
(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(nèi)析出碳化物形成回火馬氏體,殘余奧氏體也轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體;鼗瘃R氏體易受侵蝕,組織呈暗色針狀。回火馬氏體具有高的強(qiáng)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(nèi)應(yīng)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(xì)密混合物;鼗鹎象w有較好的強(qiáng)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(qiáng)度、韌性和塑性較好的綜合機(jī)械性能。
其目的主要是獲得既有一定的強(qiáng)度、硬度,又有良好的沖擊韌性的綜合機(jī)械性能。通常把淬火后加高溫回火的熱處理稱做調(diào)質(zhì)處理。主要用于處理中碳結(jié)構(gòu)鋼,即要求高強(qiáng)度和高韌性的機(jī)械零件,如軸、連桿、齒輪等。
調(diào)質(zhì)
1、定義:工件淬火并高溫回火的復(fù)合熱處理工藝,。
2、目的:使材料獲得較好的強(qiáng)度、塑性和韌性等方面的綜合機(jī)械性能,用于各種中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼。調(diào)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(zhǔn)備。
大部分的零件都是通過調(diào)質(zhì)處理來提高材料的綜合機(jī)械性能,即提高拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率、沖擊功。
3、應(yīng)用:調(diào)質(zhì)處理能大大提高材料的拉伸和屈服強(qiáng)度, 提高屈強(qiáng)比和沖擊功,使材料具有強(qiáng)度和塑韌性的良好配合。一般來講調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)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(diào)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(diào)質(zhì)工藝
4、工藝過程: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(yīng)力、調(diào)整組織成份,進(jìn)而達(dá)到機(jī)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(qiáng)度。
鐵素體:鐵素體的塑性、韌性很好,但強(qiáng)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(qiáng)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?jǐn)?shù)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(qiáng)化相,其數(shù)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粒狀滲碳體的兩相機(jī)械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到,也可以通過淬火加回火處理得到。
各種組織的硬度性能指標(biāo)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(qiáng)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(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合提高零件的疲勞強(qiáng)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(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用整體氮化處理,因?yàn)榈瘜颖旧韺κ褂脕碚f只有益處,沒必要加工處理掉。
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(jù)材質(zhì)而定。。此外,氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,以提高心部的機(jī)械性能,為氮化做組織準(zhǔn)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(guī)定條件下淬硬層深度來表示。鋼材本身的固有屬性,與外部因素?zé)o關(guān)
2、淬硬層深度:由工件表面到半馬氏體區(qū)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(biāo)之一,它與強(qiáng)度、塑性指標(biāo)之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。
常用的硬度試驗(yàn)方法有:
布氏硬度試驗(yàn)——主要用于黑色、有色金屬原材料檢驗(yàn),也可用于退火、正火鋼鐵零件的硬度測定。所用設(shè)備為布氏硬度計(jì)。
洛氏硬度試驗(yàn)——主要用于金屬材料熱處理后的產(chǎn)品性能檢測。所用設(shè)備為洛氏硬度計(jì)。
維氏硬度試驗(yàn)——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(shè)備為維氏硬度計(jì)。
顯微硬度試驗(yàn)——主要用于測定金屬材料的組織組成物或相的硬度。所用設(shè)備為顯微硬度計(jì)。
布氏硬度試驗(yàn)
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(jù)此計(jì)算出壓痕球面積F,然后再計(jì)算出單位面積所受的力(P/F值),用此數(shù)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(yàn)原理如圖3-11所示。
設(shè)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(biāo)出。
硬度值越高,表示材料越硬。實(shí)驗(yàn)室只要測出壓痕直徑d(毫米),通過計(jì)算或查表即可得出HB值。
布氏硬度試驗(yàn)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(nèi)材料的平均性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定,數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)。
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(yàn)。
布氏硬度試驗(yàn)常用于測定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等的原材料以及結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)后的硬度。
洛氏硬度試驗(yàn)
洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣的試驗(yàn)方法,和布氏硬度一樣,也是一種壓入硬度試驗(yàn),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(yàn)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(yù)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(yīng)人們習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念,人為的規(guī)定,用一常數(shù)K減去壓痕深度h的值作為洛氏硬度的指標(biāo),并規(guī)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
此值為一無名數(shù)。并可從硬度計(jì)的表盤指示器上直接讀出。
使用金剛石壓頭時(shí),常數(shù)K為0.2毫米,黑色表盤刻度所示;
使用鋼球壓頭時(shí),常數(shù)K為0.26毫米,紅色表盤刻度所示。
為了可以用一種硬度計(jì)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(biāo)度,每一種標(biāo)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,但可通過實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):操作迅速簡便,壓痕較小,可在工件表面進(jìn)行試驗(yàn),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(fù)性差,分散度較大。