热处理

三、钢材的热处理及其性能 钢的热处理是在固态下将钢加热到一定温度，经过必要的保温后，以适当的速度冷却到室温，以改变钢件的内部组织，获得所需性能的一种工艺方法。 根据加热和冷却方法的不同，可把热处理分为以下几种： 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 热处理 表面淬火：火焰加热淬火、捣应加热淬火 表面热处理 化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗 1．退火与正火 (1)退火 退火是将钢加热到一定温度，经过保温并缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。根据钢的成分和热处理目的的不同，退火可分为完全退火、球化退火、去应力退火。 1)完全退火 ①目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除内应力，改善切胡加工性。 ②适用范围：低、中碳合金钢(含碳量小于等于0．8％)的铸件或锻件。 2)球化退火 ①目的：降低硬度，提高塑性，改善切阐加工性，并为以后的淬火做好准备，以减少淬火后的变形和开裂。 ②适用范围：含碳量大于0．8％的碳素锅藕合金工具钢。 3)去应力退火 ①目的：消除蛆性形变加工以及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，防止以后加工和使用时发生变形。 ②适用范围：各种铸件、锻件、焊接件和冷挤压件。 (2)正火 正火是将钢件加热到临界沮度以上，保矗后空冷的热处理工艺。正火主要用于以下几个方面： 1)消除网状二次渗碳体，以保证球化遇火质量。对于重要的机器零件，往往用正火作为预先热处理。 2)对于力学性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能肆可漓足使用要求， 可用正火作为最终热处理。 3)对于低碳钢或低碳合金钢，可用正火撮离英硬度，改善镭勘妇工性． 正火后钢件的强度和硬度均比退火高。 2．钢的淬火 将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或t9(个斟材料在空气)中快建冷却的一种热处堙工艺。 (1)淬火的作用 淬火是钢强化的最重要的热处理方法，也是应用最广的热处理工艺之一。淬火和紧接着淬火后的回火通常作为最终热处理。通过淬火与回火，可以改变钢材内部的组织结构，使工件获得不同的力学性能，以适应不同工作条件要求，更好地发挥材料性幢的精力。具体地说 1)对于工具钢件、渗碳件来说，通过淬火+低温固火可提高硬度和耐磨性。 2)对于结构件，通过淬火+中温或高温回火，可获得良好的综合力学性能，即在保持足够韧性的条件下提高钢的强度。 (2)常用的淬火方法 1)单液淬火。这种方法操作简单，容易实现机械化，但容易产生开裂，所以，只适用于形状简单的碳素钢和合金钢工件。 2)双液淬火。双液淬火主要用于必须水淬的钢件，如尺寸较大的高碳钢零件和某些大的合金钢零件。 3)分级淬火。由于分级淬火的冷却速度很慢，所以只适用于尺寸较小的碳素钢和合金钢零件。 4)等温淬火。等温淬火后的零件内应力和变形量均较小，适用于小型精密零件的淬火，如精密齿轮等。 3．回火 回火是将淬火后的工件重新加热到一定温度，经过保温，再用一定方法冷却的一种热处理工艺。 回火一般是紧接着淬火后进行的，也是热处理的最后一道工序。 按照回火后的性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火3种。 (1)低温回火 低温回火多用于刀具、量具；模具、滚动轴承和渗碳零件，以消除钢件因淬火而产生的内应力，并保持淬火钢的高强度和耐磨性。 (2)中温回火 中温回火一般用于各类弹簧、模具及冲击工具等，以便钢获得较高的弹性、一定的韧性和硬度。 (3)高温回火 ． 高温回火主要用于高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等，以使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和硬度、较好的塑性和韧性，并消除钢件因淬火而产生的内应力。 4．调质处理 通常把淬火+高温回火的热处理称为调质处理。调质处理一般是在粗加工之后进行 的。 调质可以使钢的性能得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都很好，具有良好的综合力学性能和切削加工性能。 5．时效处理 为了避免精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后、精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5—20h，这种稳定精密制件质量的处理称为时效处理。 对在低温或动载荷条件下的钢材构件要进行时效处理 和尺寸，这非常重要。 6．表面热处理 (1)表面淬火 仅对钢的表面加热、冷却而不改变成分的淬火工艺称为表面淬火。最常用的是感应加 热、火焰加热两种。 1)感应加热表面淬火。经表面感应淬火的零件，表面硬而耐磨，而心部保持较好的强度和韧性。它主要适用于中碳钢和中碳合金钢件。 2)火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火适用于单件或小批生产中表面要求硬而耐磨并承受冲击载荷的大型中碳钢和中碳合金钢件。 (2)化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表 面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求目的的热处理工艺。按渗入元素的种类不同，化学热处理分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。 1)渗碳。渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也就是使低碳钢工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件心部仍保持低碳钢的韧性和塑性。 渗碳主要用于那些对表面有较高耐磨性要求并承受较大冲击载荷的零件。 2)渗氮。渗氮是指使氮原子渗入到钢表面层的过程。其目的是提高零件表层的硬度和耐磨性以及提高疲劳强度和抗腐蚀性等。 氮化后零件表面硬度比渗碳的还高，耐磨性能很好，同时渗层一般处于压应力下，疲劳强度高，但脆性较大。氮化后零件变形很小，通常不需再加工，也不必再热处理强化。它适合于要求精度高、冲击载荷小、抗磨损能力强的零件，如一些精密齿轮等。 3)碳氮共渗。碳氮共渗是同时渗入碳、氮两种元素的化学热处理工艺，也称为氰化处理。其中气体氰化中的低温氰化(软氮化)已广泛应用于机械零件和工、模具中。软氮化后零件的表面硬度高而不脆，耐磨性、抗疲劳和抗腐蚀性显著提高，适用于碳素钢、合金钢和铸铁等多种材料。但软氮化层较薄，不宜在重载荷下工作。 4)渗金属。渗金属是指把金属原子渗入钢的表面层的过程。它使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、抗腐蚀等。它适用于工具、模具，以增强其抗磨损能力。 第三节 常用金属材料的硬度特性

硬度是指材料表面抵抗其他硬物压人的能力。 由于硬度的测量方法很多，表示方式也有多种，机械工程上最常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 布氏硬度(FIB)主要用于测试硬度较低的金属材料，如退火、正火及调质处理后的钢材、铸铁、有色金属等，测定范围<~450HB。 洛氏硬度一般用于测试硬度较高的金属材料。洛氏硬度因所用压头和载荷不同又分为HRA、HRB和HRC三种。其中HRC应用最广泛，一般经淬火处理的钢和工具钢都用}IRC测量。 维氏硬度用HV表示，常用于测定薄件和钢板制件的硬度，也可用来测定渗碳、液体碳氮共渗、渗氮等表面硬化制件的硬度。 硬度是金属材料重要的力学性能之一。各种零件和工具都应具有足够的硬度，特别是机械制造所用的刀具、量具、模具等，更应具备足够的硬度，以满足使用性能要求和保证有足够的使用寿命。 工具钢是制造刃具、模具和量具的专业用钢。根据刃具、模具和量具的工作条件和失效形式，都要求工具钢有高的硬度、高的耐磨性和一定的韧性等，而硬度是工具钢的主要性能之一。 工具钢按化学成分可以分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢，按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 现将各种常用工具钢的硬度特性进行归纳总结。 一、 碳素工具钢硬度特性 碳素工具钢的含碳量为o．65％-1．35％。碳素工具钢在锻造后应进行球化退火以改善切削性能，而最终热处理为淬火和低温回火。淬火后的硬度随含碳量的增加而增加，但变化不大，一般在60—65HR~。 常用碳素工具钢的牌号及热处理后的硬度见表4--15~

二、合金工具钢硬度特性 合金工具钢是指制造各种刃具、模具和量具的钢。 1．刃具钢 刃具钢用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、圆板牙等切削刀具，要求具有足够的硬度和耐热性，并有一定的抗弯强度。常用的有碳素工具钢、低合金工具钢和高速钢。 根据刃具钢的工作条件，要求其具有高硬度、耐磨性、高的热硬性及一定的塑性和韧性。 低合金工具钢的含碳量为0．80％—1．50％，常加入的合金元素有铬、锰、硅、钨、钒等，其总含量不大于5％。 低合金工具钢在切削加工和淬火前必须经过球化退火，以利于切削加工，并减小淬火过热倾向。 低合金工具钢最终热处理为淬火和低温回火。常用低合金工具钢的牌号及热处理后的硬度见表4--16。

2．其他合金工具钢 其他合金工具钢主要是指用于制造各种模具等所用的模具钢和制造量具所用的量具钢。 模具钢主要用于制造金属成型所用模具。根据工作条件的不同，分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢的热处理是球化退火、淬火和低温回火。热作模具钢的热处理是球化退火、淬火和高温回火。 量具钢主要用于制造各种测量工具，如千分尺、卡尺、量规等。它的主要要求有高硬度和耐磨性以及尺寸稳定性。量具钢一般采用低合金刃具钢和滚动轴承钢。 由于淬火温度和回火温度不同，合金工具钢的硬度差别较大，常用合金工具钢的牌号及热处理后的硬度见表4-17。