金屬材料及熱處理

金屬材料及熱處理基礎知識熱處理熱處理的作用

熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到頂定的溫度，保溫一定的時間，然后以預定的方式冷卻下來的一種熱加工工藝通過熱處理可以改變鋼的內部組織結構，從而改善其工藝性能和使用性能，充分挖掘鋼材的潛力，延長零件的使用壽命，提高產品質量，節(jié)約材料和能源正確的熱處理工藝還可以消除鋼材經鑄造、鍛造、焊接等熱加工工藝造成的各種缺陷，細化晶粒、消除偏析、降低內應力，使組織和性能更加均勻在生產工藝流程中，工件經切削加工等成形工藝而得到最終的形狀和尺寸后，再進行的賦于工件所需使用性能的熱處理稱為最終熱處理，而將熱加后為隨后冷拔、沖壓和切削加工或最終熱處理作好組織準備的熱處理稱為預備熱處理熱處理工藝介紹退火

將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝鋼的退火工藝種類很多，根據加熱溫度可分為兩大類，一類是在臨界溫度(Ac1或Ac3)以上的退火，又稱為相變重結晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和擴散退火等，另一類是在臨界溫度以下的退火，包括再結晶退火及去應力退火等，根據冷卻方式不同，退火又可分為連續(xù)退火和等溫退火等閥門零件常用的三種退火，不完全退火與完全退火、去應力退火不完全退火：不完全退火是將鋼加熱至Ac1-Ac3(亞共析鋼)或Ac1-Accm(過共析鋼)之間，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝，不完全退火加熱溫度較完全退火低，工藝周期也較短，消耗熱能較少，可降低成本，提高生產效率，因此，對鍛造工藝正常的亞共析鋼鍛件，可采用不完全退火代替完全退火，一般馬氏體不銹鋼如1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2等鍛造后用此方法來達到目的完全退火：完全退火是將鋼加熱到Ac3溫度以上，保溫足夠的時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝，完全退火的目的是為了細化品粒、均勻組織、消除內應力和熱加工缺陷、降低硬度、改善切削加工性能和冷塑性變形性能，完全退火加熱溫度不宜過高，一般在Ac3以上20、30℃，退火后的冷卻速度應緩慢，以保證奧氏體在Ar1溫度以下不大的過冷條件下進行珠光體轉變，避免硬度過高，一般碳鋼的冷卻速度應小于200℃／h，低合金鋼的冷卻速度應為100℃／h，高合金鋼的冷卻速度應為50℃／h完全退火需要的時間很長，尤其是過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，如將奧氏體化后的鋼很快陣至稍低于Ar1的溫度等溫，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，再空冷至室溫，則可顯著縮短退火時間，這種退火方法稱為等溫退火等溫退火適用于高碳鋼、合金工具鋼和高臺金鋼等。等溫退火還有利于工件獲得均勻的組織和性能，但是，對于大截面工件和大批量爐料，等溫退火不易使工件內部達到等溫溫度，故不宜采用此法，在閥門零件中，35CrMo的螺栓用此工藝去應力退火：為了消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機械加工工件中的殘余內應力，提高工件的尺寸穩(wěn)定性，防止變形和開裂，在精加工或淬火之前將工件加熱至Ac1以下目一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，這種熱處理工藝稱為去應力退火，鋼件的去應力退火加熱溫度很寬，應根據具體情況來決定，一班在500-650℃之間，對于某些經受冷變形加工的工件，如冷卷彈簧，為了消除冷卷時產生的內應力，同時保持其高彈性極限，去應力退火的溫度應在250-300℃之間，保溫后應緩慢冷卻，以免產生新的應力，冷至200-300℃出滬，再空冷至室溫

正火正火是將鋼加熱到Ac3(對于亞共析鋼)或Accm(對于過共析鋼)以上適當的溫度，保溫一定時間，使之完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，以得到珠光體類型組織的熱處理工藝正火與完全退火相比，二者的加熱溫度相同，但正火的冷卻速度較快，轉變溫度較低正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。因為高合金鋼的奧氏體非常穩(wěn)定，即使在空氣中冷卻也會獲得馬氏體組織正火的加熱溫度通常在Ac3或Accm以上30-50℃，正火是比較簡單、經濟的熱處理方法，在生產中應用較廣泛，主要目的是為了細化晶粒，使其組織更加均勻，改善機加工性能，在閥門中一般25#，45#鋼的零件采用此工藝淬火

將鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度．保溫一定時問，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火，它可以顯著提高鋼的強度和硬度在正常淬火條件下，得到馬氏體組織與零件材料含碳量有關，含碳量高，馬氏體多，硬度就高，所以一般控制在含碳量大于0.25%以上，才能通過淬火淬硬

淬火鋼在水中或在冷卻最快的鹽水中冷卻，某些合金鋼在油中冷卻，高合金鋼、馬氏體（13）型不銹鋼如1Cr13、2Cr13、3Cr13等在空氣中冷卻淬火后應力較大,通常很硬和很脆,容易斷裂,為使鋼淬火后消除應力,具有韌性,必須進行回火表面熱處理

表面熱處理指零件的表面淬火，通過表面淬火來強化零件的表層，這種方法不但能夠使零件表面硬度、耐磨性得到提高，而且使心部保持較好的韌性，從而使零件具有耐磨性，沖擊韌性，疲勞強度、較高的綜合機械性能。按加熱方法，有不同表面淬火，常用方法是火焰加熱表面淬火與感應加熱表面淬火火焰表面淬火，工廠常用氧一乙炔燃燒火焰來淬火，特點：設備費用低、簡單容易進行，方法靈活，可對大型零件的局部進行快速表面淬火，但難以控制適中的加熱溫度，軟點、軟帶缺陷難以控制，淬透層深度不穩(wěn)定

高頻感應加熱淬火，高頻感應加熱是基于電磁感應的原理，將零件放在交流電源的交變磁中由于電磁感應在零件表面產生渦流，從而使零件本身得到加熱，這樣方法為高頻感應加熱淬火。特點：淬透層深度可以控制，一般在0.5～2mm之間，加熱速度快，時間短，零件脫碳少，淬火變形小

表面淬火硬度比普通淬火硬度高2-3HRC，這樣提高了零件表面耐磨性和疲勞極限。但是加熱設備成本高維修比較復雜，并且，由于感應器形狀制作有一定的限制表面局部淬火有一定局限性。在閥門中，表面淬火的零件由閥桿、閥瓣及密封圈等回火把淬火后的零件加熱到低于相變溫度（Ac1）的某一個溫度，并在此溫度下保持一定的時間，然后以一定的冷卻速度冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火其目的是為了消除因淬火造成的內應力，提高鋼的韌性，并獲得所需要的各項機械性能回火可分為，高溫回火、中溫回火及低溫回火三種回火方法經正常淬火后的鋼，其機械性能隨回火溫度的不同而變化，一般說來，回火溫度越高，硬度和強度越低，而塑性和韌性越高調質把淬火后的零件進行高溫回火，這種把淬火和高溫回火結合在一起的熱處理方法，通常稱為調質處理通過調質后的零件材料金相組織為回火索低體，其目的是得到強度硬度，塑性和韌性良好的綜合機械性能調質處理在閥門中的零件是常用的熱處理工序調質處理用作于馬氏體不銹鋼（1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2）及合金鋼軟化手段，它可作為預先熱處理，也可作為最終熱處理

作為預選熱處理，一方面是為了滿足切削加工上的需要，如降低硬度，另一方面也是為最終熱處理作好組織準備調質處理，得到回火索氏體組織，其機械性能比正火要優(yōu)越得多，如碳鋼45鋼調質后屈服極限和沖擊韌性，比正火處理高40%，而強度極限和斷面收縮率也比正火高5-6%，調質后的性能是與零件的淬透性密切相關的，只有當零件淬透時才能獲得最佳的機械性能調質作為最終熱處理是為了零件得到良好綜合機械性能特別是高的沖擊韌性，尤其閥門零件，閥桿、閥瓣及內腔零件，有一些外腔零件如螺栓、壓板等，在動載荷下工作受到各種沖擊、壓力、拉伸、扭曲的作用，采用調質處理工藝能保證零件抵抗的能力，達到使用要求。調質后的回火索氏體組織實際在金相顯微鏡中看到為球狀碳化物和鐵素體的混合物，一般硬度在200-321HB之間，隨著回火溫度升高，組織受到變化，從而使機械性能強度硬度下降，塑性、韌性、升高

焊后消氫熱處理對于冷裂裂紋傾向大的高強度鋼的焊接和采用不予熱堆焊的硬質合金工件，焊接后或堆焊后應立即將工件加熱到250-350℃溫度范圍內，保溫2-6小時后空冷，使焊縫中的擴散氫加速逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)的氫含量，防止產生冷裂紋固溶化處理將奧氏體不銹鋼加熱到1100℃左右，保持一段時間，使其中的碳化物充分分解，并溶于晶粒中，然后急冷下來，可大大減輕晶界富碳現象，晶界也沒有生成碳化鉻的可能，從而消除晶間腐蝕傾向穩(wěn)定化處理將含鈦或含鈮的奧氏體不銹鋼加熱到850-900℃，保溫一定的時間后空冷，使奧氏體中析出一部分碳化鈦（或碳化鈮）這樣，碳就幾乎全部穩(wěn)定于碳化鈦或碳化鈮中，從而保證了鋼中的含碳量不至于形成碳化鉻，故稱為穩(wěn)定化處理，其目的通過穩(wěn)定化處理后可預防這類鋼的晶間腐蝕時效處理指合金工件經固溶處理，冷塑性變形或鑄造，鍛造后，在較高的溫度放置或室溫保持，其性能，形狀，尺寸隨時間而變化的熱處理工藝。若采用將工件加熱到較高溫度，并較長時間進行時效處理的時效處理工藝，稱為人工時效處理，若將工件放置在室溫或自然條件下長時間存放而發(fā)生的時效現象，稱為自然時效處理。時效處理的目的，消除工件的內應力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機械性能等?；瘜W熱處理化學熱處理是把鋼制工件放置于某種介質中，通過加熱和保溫，使化學介質中某些元素滲入到工件表層，從而改變表層的化學成分，使心部與表層具有不同的組織與機械性能?；瘜W熱處理主要作用有強化工件表面（硬度，耐磨性，疲勞極限），以及保護工件表面（耐高溫，耐腐蝕性）等。滲碳處理滲碳處理是把鋼放在滲碳介質中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時間，使碳原子滲入鋼表層的過程。滲碳處理主要應用于表面硬而耐磨，心部強度、韌性好，且疲勞強度高的場合。滲碳層最佳含碳量0.85～1.05%。滲碳后，工件表層含碳量為0.85~1.05%，從表層到心部含碳量逐漸減少，心部為原來低碳鋼的含碳量滲碳后的熱處理工件滲碳后必須進行熱處理，只有這樣才能發(fā)揮出滲碳層的作用。直接淬火法：工件的滲碳溫度為900~950℃,滲碳后+先預冷+淬火+低回預冷的目的是為了減少淬火變形與開裂，并使表層析出一些碳化物，降低殘A，提高表層硬度，預冷溫度略高于Ar3,目的是為避免析出鐵素體。滲碳后的熱處理一次淬火法：滲碳后出爐緩冷+再加熱到淬火溫度進行淬火+低回二次淬火法：滲碳+緩冷+第一次淬火（或正火）（細化心部組織，消除表層網狀滲碳體），加熱到（850～900°C）→滲碳+緩冷+第二次淬火（或正火）（改善碳化層組織與性能750～800°C）→滲碳+緩冷+低回。氧化處理氧化處理的原理是在零件表面形成致密的氧化膜作為防銹處理氧化處理應該算作化學處理類工序：表面預處理（去應力、去油污除塵、酸洗、清洗）→氧化（浸在氧化溶液中/溫度/時間）→漂洗（流動清水、氧化后清洗前不允許干燥）→填充處理（需要的話皂化或填充處理）→漂洗（填充處理后用熱水漂洗）→干燥→防銹處理（防銹液中浸泡）布氏硬度是用單位壓痕面積的力作為布氏硬度值的計量即試驗力除以壓痕表面積，優(yōu)點是測定的數據準確、穩(wěn)定、數據重復性強，常用于測定退火、正火、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。布氏硬度試驗還可用于有色金屬和軟鋼，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。優(yōu)點是測定的數據準確、穩(wěn)定、數據重復性強，常用于測定退火、正火、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。布氏硬度試驗還可用于有色金屬和軟鋼，采用小直徑球壓頭可以測量小尺寸和較薄材料。實驗原理

用一定直徑的壓頭（球體），以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后，測量材料表面壓痕直徑，以此計算出硬度值。洛氏硬度洛氏硬度是用壓痕深度作為洛氏硬度值的計量即，符號用HR表示.HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質合金等)。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。實驗原理用錐頂角為120°的金剛石圓錐或直徑1.588mm的淬火鋼球，以相應試驗力壓入待測表面，保持規(guī)定時間卸載后卸除主試驗力，以測量的殘余壓痕深度增量來計算出硬度值洛氏硬度優(yōu)點是操作迅速、簡便，硬度值可從表盤上直接讀出；洛氏硬度試驗采用了3種壓頭，6種試驗力，根據金屬材料材質、硬度范圍及尺寸的不同，共有15個標尺可供選擇，可以測試從很軟到很硬幾乎全部常見的金屬材料，應用范圍十分廣闊。洛氏硬度計在工業(yè)生產中得到了廣泛應用，成為檢驗產品質量，確定合理加工工藝的主要手段?？蓽y試各種黑色和有色金屬，測試淬火鋼、回火鋼、退火鋼、表面硬化鋼、各種厚度的板材、硬質合金材料、粉末冶金材料、熱噴涂層的硬度。洛氏硬度缺點是精確性較低，硬度值重復性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位測試數次，取其平均值來代表材料的硬度。此外，用不同標尺測得的硬度值彼此之間聯系，也不能直接進行比較。維氏硬度維氏硬度也是以單位壓痕面積的力作為硬度值計量。試驗力較小，壓頭是錐面夾角為136°的金剛石正四棱錐體，見圖所示。維氏硬度用符號HV表示。實驗原理與布氏硬度試驗原理基本相同。只是壓頭改用了金剛石四棱錐體。維氏硬度優(yōu)點：適用范圍廣，從極軟到極硬材料都可測量：測量精度高，可比性強；能測較薄工件。缺點：測量操作較麻煩，測量效率低。應用：廣泛用于科研單位和高校，以及薄件表面硬度檢驗。不適于大批生產和測量組織不均勻材料。

金屬材料4130低合金鋼

4130低合金鋼廣泛用于各種產品，具有良好的綜合機械性能。這種材料通常經過調質處理后使用。材料類型低合金鋼，包含1%的鉻和0.2%的鉬。強度符合API60K和75K強度需求。可淬硬性中等-熱處理后，在厚度12“的范圍內屈服強度可達60ksi。厚度2“的范圍內屈服強度可達75ksi。耐腐蝕性低—通常用作AA/BB/DD/EE的體蓋零件和AA/DD的內件。酸性環(huán)境硬度不超過22HRC(237HB)時可以使用溫度等級好。適用于API溫度等級K，L，P，S，

T，

U，

V。焊接性能通常要求事先預熱和焊后熱處理。機加工性好.注

釋AISI410不銹鋼

AISI410是一種可以鍛造的馬氏體不銹鋼。我們常說的不銹鋼就是指它(用于CC或FF級要求)。AISI410至少含有11.5%的鉻。由于含有大量的鉻，410可以在空氣中冷卻，并仍能形成100%的馬氏體，即使其截面很厚。在空氣中冷卻及NACE22HRC的硬度限制之下，410不銹鋼可淬硬達到API75K的強度，硬化深度可達12英寸（相當于直徑24英寸的線材）。如果需要更大的淬硬深度，可將410在油中淬火。但是，不要將410放在水中淬火，因為它容易產生淬火裂紋。這種材料通常經過淬火和二次回火后使用材料類型不銹鋼，含13%鉻。強度符合API60K和75K強度需求。可淬硬性好-熱處理后，在厚度24“的范圍內屈服強度可達75ksi。耐腐蝕性好—可在腐蝕性環(huán)境中用作CC級(常規(guī)環(huán)境)或FF級(酸性環(huán)境)材料。酸性環(huán)境硬度不超過22HRC(237HB)時可以使用溫度等級好。適用于API溫度等級P，S，

T，

U，

V。符合API6A規(guī)定的-29℃以下溫度條件下沖擊實驗要求。焊接性能通常要求事先預熱和焊后熱處理。機加工性好.注

釋其鑄造類的鋼號是CA15.AISI410不銹鋼性能參數AISI410不銹鋼限制條件在含有高濃度的氯化物情況下，410容易出現坑點腐蝕。用于-29℃環(huán)境中，請務必牢記兩個限制：首先，當金屬材料直徑超過12英寸時它可能不再符合API沖擊要求。該問題與大截面金屬材料的鍛壓比下降有關。第二個限制是與焊接有關。在-29℃溫度條件下，需