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金属材料热处理基础知识
发布时间:2020-05-23   作者:潍坊丰东热处理   已阅读:
热处理定义:钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却,以改变其内部组织,从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。
热处理目的:
1、提高金属材料的力学性能,充分发挥材料的潜力,节约材料、延长零件使用寿命。
2、消除材料残余应力,改善金属的切削加工性能。
加热温度、保温时间和冷却方式是热处理最重要的三个基本工艺因素。
退火
1、定义:将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度,保持一定时间,然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。
2、目的:降低硬度,均匀化学成分、改善切削加工性能和冷塑性变形性能、消除或减少内应力、为零件最终热处理准备合适的内部组织。
3、分类
球化退火:为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。
去应力退火:为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行退火。
正火
1、定义:将钢材或钢件加热到一定温度,保温适当时间,使之完全奥氏体化,然后在空气中冷却,以得到珠光体组织的热处理工艺。
2、目的:改善切削性能,消除毛坯内应力,细化晶粒、提高硬度、获得比较均匀的组织和性能。
退火和正火的区别
退火和正火属于预备热处理工艺,对于含碳量相同的工件,正火后的强度和硬度要高于的退火的。
例如:含碳量大于0.5%的碳钢和合金钢,为降低硬度便于切削加工采用退火处理;含碳量低于0.5%的低碳钢和低合金钢,为避免硬度过低切削时粘刀,而采用正火适当提高硬度。
一般用于锻件、铸件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后,粗加工之前进行。
渗碳
1、定义:为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,在渗碳炉中将低碳钢在渗碳介质中加热、保温,使碳原子渗入工件表面,然后进行淬火的化学热处理工艺。
2、目的:使低碳钢的表面层含碳量增加到0.85~1.10%,然后再经淬火、低温回火处理以消除应力并稳定组织,使钢件表面层具有高硬度(HRc56~62),增加耐磨性及疲劳强度等。而心部仍保持原有的塑性和韧性。
3、应用:渗碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的钢种,渗碳层的深度是根据零件的要求不同,一般为0.2~2mm。
设计时可根据工件尺寸和心部强度要求来选择材料和渗碳层深度。
渗碳层深的选择要根据实际需要进行设计,以节约成本。
层深的增加意味着渗碳时间的延长,齿轮一般是根据经验公式来设计层深。
淬火
1、定义:将钢加热到临界温度以上,保温一定时间使其奥氏体化,以大于临界冷却速度进行冷却的工艺。
2、淬火目的:
提高硬度和耐磨性:刀具、量具、磨具
提高强韧性:轴类、杆件、销、受力件
提高弹性:各类弹簧
提高耐蚀和耐热性:耐热钢和不锈钢
3、淬火分类
按加热温度:完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火
按加热介质及热源条件:盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬火、接触电加热淬火等
按淬火部位:整体淬火、局部淬火、表面淬火等
按冷却方式:单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火等
4、工艺过程:
冷却速度是钢在淬火过程中最主要的因素,它直接影响淬火产物和性能。
一方面冷却速度要大于临界冷却速度,以保证全部得到马氏体组织;另一方面冷却应尽量缓慢,以减少内应力,避免工件变形和开裂。
为了解决上述矛盾,可以采用不同的冷却介质和冷却方法,使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃~550℃)快冷,超过临界冷却速度,以防珠光体类型转变发生;而在马氏体转变区域范围内(300℃~100℃),则冷却减慢,以减少淬火工件产生的应力。
5、不同淬火温度下的内部组织
在完全淬火时,钢的淬火组织主要是由马氏体组成
在不完全淬火时亚共析钢得到马氏体和铁素体组成的组织
当奥氏体中含碳质量分数大于0.5%时,淬火组织为马氏体和残余奥氏体。
过共析钢得到马氏体和渗碳体的组织。
亚共析钢用不完全淬火是不正常的,因为这样不能达到最高硬度。而过共析钢采用不完全淬火则是正常的,这样可使钢获得最高的硬度和耐磨性。
在适宜的加热温度下,淬火后得到的马氏体呈细小的针状;若加热温度过高,其形成粗针状马氏体,使材料变脆甚至可能在钢中出现裂纹。
6、一般淬火件的工艺路线:
下料—锻造—正火(退火)—粗加工—调质—半精加工—表面淬火—精加工
表面淬火
1、定义:是成本最低的表面硬化处理方法,工艺简单而灵活,适合局部处理,特别适合于提高耐磨性的场合。由于只加热表面层,心部强度保持着淬火前的状态。
2、目的:提高材料的硬度、强度和耐磨性,而心部保持良好的塑性和韧性。表面淬火后零件表面将产生很大的残余压应力,因而使材料的疲劳强度大大提高。但需要注意的是,表面淬火区域的起始点和终结点处于残余拉应力状态下,此处的疲劳强度因此大大降低。设计时要考虑残余拉应力不可留在齿根处、轴的过渡圆角处等零件应力集中部位, 以免工作应力与残余拉应力叠加造成零件裂纹或断裂。
3、工艺过程:表面淬火一般工艺是高频感应加热、中频感应加热或火焰加热, 喷水冷却, 然后进行低温回火。
4、应用:淬硬深度一般是:高频淬火1~2mm;中频淬火2~6mm。一般用于中碳以上结构钢和合金钢主轴、齿轮等零件。当工件淬火后,表面硬度高,除磨削外,一般不能进行其它切削加工。因此工序应尽量靠后,一般安排在半精加工之后,磨削加工之前。
回火
1、定义:回火是将淬火后的钢件加热到指定的回火温度,经过一定时间的保温后,空冷到室温的热处理操作。回火时引起马氏体和残余奥氏体的分解。
2、目的:
⑴减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂。
⑵获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高,脆性大,回火可调整硬度、韧性。
⑶稳定尺寸。
⑷对于某些高淬透性的钢,空冷即可淬火,如采用回火软化既能降低硬度,又能缩短软化周期。
3、分类:钢淬火后都需要进行回火处理,回火温度取决于最终所要求的组织和性能(工厂常根据硬度的要求),通常按加热温度的高低,回火可分为以下三类。
 (1)低温回火:加热温度为150℃~250℃。低温回火组织为回火马氏体,马氏体内析出碳化物形成回火马氏体,残余奥氏体也转变为回火马氏体。回火马氏体易受侵蚀,组织呈暗色针状。回火马氏体具有高的强度和硬度,而韧性和塑性较淬火马氏体有明显改善。
其目的主要是降低淬火钢中的内应力,减少钢的脆性,同时保持钢的高硬度和耐磨性。常用于高碳钢制的切削工具、量具和滚动轴承件及渗碳处理后的零件等。
 (2)中温回火:加热温度为350℃~500℃。中温回火组织为回火屈氏体,它是由铁素体和粒状渗碳体组成的极细密混合物。回火屈氏体有较好的强度,最高的弹性,较好的韧性。
其目的主要是获得高的弹性极限,同时有高的韧性。主要用于各种弹簧热处理。
 (3)高温回火:加热温度为500℃~650℃。高温回火组织的回火索氏体,它是由粒状渗碳体和等轴形铁素体组成混合物。回火索氏体具有强度、韧性和塑性较好的综合机械性能。
其目的主要是获得既有一定的强度、硬度,又有良好的冲击韧性的综合机械性能。通常把淬火后加高温回火的热处理称做调质处理。主要用于处理中碳结构钢,即要求高强度和高韧性的机械零件,如轴、连杆、齿轮等。
调质
1、定义:工件淬火并高温回火的复合热处理工艺,。
2、目的:使材料获得较好的强度、塑性和韧性等方面的综合机械性能,用于各种中碳结构钢和中碳合金钢。调质一般安排在粗加工之后,半精加工之前,并为以后热处理作准备。
大部分的零件都是通过调质处理来提高材料的综合机械性能,即提高拉伸强度、屈服强度、断面收缩率、延伸率、冲击功。
3、应用:调质处理能大大提高材料的拉伸和屈服强度, 提高屈强比和冲击功,使材料具有强度和塑韧性的良好配合。一般来讲调质钢应该为中碳钢( C = 0.3%~0.6%);碳钢中像30、35、40、45、50等钢种则既可以调质处理又可以正回火使用;而对高碳钢和低碳钢则不宜采用调质工艺
4、工艺过程:首先需要将零件加热到一定温度,保温一定时间,然后在油中或水中冷却。冷却后立即入炉进行回火(500~650℃),以降低淬火应力、调整组织成份,进而达到机械性能要求。
氮化处理
1、定义:渗氮是使氮原子渗入金属表面获得一层含氮化合物的处理方法。
2、目的:提高零件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。
3、特点:氮化工艺最大的特点是热处理变形小,硬化层浅,特别适用于与调质工艺相结合提高零件的疲劳强度、表面耐磨性、耐蚀性和改善零件的摩擦状态,防止胶合。适用于在周期载荷下工作的零件, 比如轴等。
4、应用:原则上讲任何钢种都可以进行氮化处理,但是最常用的氮化钢是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)等,氮化后一般可不加工,设计时应尽可能采用整体氮化处理,因为氮化层本身对使用来说只有益处,没必要加工处理掉。
5、工艺要求:氮化是在氮化炉中进行,因此变形小,氮化硬度要根据材质而定。。此外,氮化前必须进行调质处理,以提高心部的机械性能,为氮化做组织准备。



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