金属材料与热处理 - 图文

铸造专用黄铜牌号：Z+Cu+主加元素符号+数字。数字为主加元素平均含量。如ZCuZn38，平均含Zn38%、余量为Cu的铸造普通黄铜；ZCuZn33Pb2,平均含Zn33%、平均含Pb2%、余量为Cu的铸造普通黄铜；

图2.21 法兰阀形貌 图2.22 闸阀形貌

1、普通黄铜：含Zn≤47%。耐蚀性良好，超过铁、碳钢和许多合金钢。常用牌号H80、H70、H 68。适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。H59、H62。适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等

2、特殊黄铜：在普通黄铜基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素形成。 ①锡黄铜:“海军黄铜”HSn62-1,广泛用于制造船舶零件。

②铝黄铜:表面保护性氧化膜，提高在大气中耐蚀性。如HMn58-2制造海船零件及电信器材。 ③Mn黄铜：Mn可提高黄铜的强度不降低塑性，并提高其在海水和过热蒸汽中的耐蚀性。 ④铅黄铜：Pb能改善切削加工性,提高耐磨性。常用牌号HPb63-3、HAl60-1-1、HSn62-1、HFe95-1-1、ZCuZn38Mn2Pb2、ZCuZn16Si4等。用于船舶及化工零件如图2.21，图2.22，如冷凝管、齿轮、螺旋桨、轴承、衬套及阀体等

三）青铜：以Al、Si、Be、Mn、Pb等元素为主的铜合金统称为青铜。牌号：Q +主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量。如QSn4-3（含4%Sn、3%Zn。 常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。

①锡青铜：以锡为主加元素的铜合金。锡含量一般为3-14%。有良好的耐蚀性,在大气、海水及无机盐溶液中的耐蚀性比纯铜和黄铜好,但在硫酸、盐酸和氨水中的耐蚀性较差。有良好的减摩性、抗磁性和低温任性。常用牌号QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1等。用于耐蚀承载件，如弹簧、轴承、齿轮轴、蜗轮、垫圈等。

②铝青铜：以铝为主加元素的铜合金,铝含量5~11%。

Al＜7%时,合金塑性好强度低,有良好热、冷变形性,适于压力加工。用于制造仪器中要求耐蚀的零件和弹性元件。

Al＞7%时,合金塑性急剧下降,难变形加工,适于铸造,常用于制造强度及耐磨性高的摩擦零件,如齿轮、蜗轮、轴套等。

铝青铜的力学性能比锡青铜高,耐磨性高于锡青铜与黄铜,铸造性能好，有良好流动性,晶內偏析小,缩孔集中,易获得致密铸件。如用于大型水力发电设备中的抗磨环。

③铍青铜：以铍为主加元素的铜合金,铍含量1.7~2.5%。有高的强度、弹性极限、耐磨性、耐蚀性，良好的导电性、导热性、冷热加工及铸造性能，但价格较贵。用于制作精密仪器、仪表中重要的弹性元件、耐蚀、耐磨件，如精密弹簧、膜片，高速、高压轴承及防爆工具、航海罗盘等重要机件。价格昂贵，应用受限制。

2.5 钢的热处理

1.钢的热处理：是将固态钢件通过加热、保温和冷却的工艺方法，使钢的微观组织结构发生变化，从而获得所需性能的一种加工工艺。热处理工艺中三大基本要素：加热、保温、冷却。如图2.23所示。

图2-23 热处理工艺曲线

1）加热:是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。分为：①在临界点A1以下的加热。②在A1以上的加热，目的获得均匀的奥氏体组织。

2）保温：目的保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有关。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

3）冷却：热处理的最终工序（重要工序）。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。 2.热处理特点：改变零件或毛坯的内部组织和力学性能，不改变其形状和尺寸。

如；消除毛坯的缺陷，改善毛坯切削性能；改善零件和工模具力学性能，延长其使用寿命；为减小零件尺寸，减轻质量，提高产品质量，降低成本提供可能。机械设备几乎90%以上零件要经热处理后才能使用。

3.热处理方法：1）普通热处理：退火、正火、淬火和回火。 2）表面热处理：表面淬火（火焰加热）、感应加热(高、中、低频)；化学热处理：渗碳、氮化、碳氧共渗等热处理。

3）特殊热处理：形变热处理、真空热处理等。

2.5.1钢的常用热处理工艺

按热处理在零件生产过程中的位置和作用，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是零件加工过程中一道中间工序（也称中间热处理），目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步热处理作准备。最终热处理是零件加工的最终工序，目的是使经过成型工艺达到要求形状和尺寸后的零件的性能达到所需要使用性能。 1. 钢的退火和正火

退火和正火是零件预先热处理方式。退火或正火后已满足要求，可作为最终热处理。 1、退火：将钢加热保温，然后随炉冷却或埋入灰中缓慢冷却。

退火目的： 1）细化晶粒，改善组织；2)降低钢的硬度，以利于切削等加工（冲冷拉）；3）消除内应力，稳定尺寸，提高力学性能；4）消除组织缺陷，均匀化学成分，为下道热处理工序做准备。

按退火目的不同，退火常分为：完全退火；等温退火；球化退火；均匀化退火；去应力退火； 2、正火 ：将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃保温，在空气中冷却。

目的：细化晶粒，并使组织均匀化，提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除过共析钢中的网状碳化物，为后续热处理做组织准备。

退火与正火的主要区别：正火的冷却速度比退火稍快些，故正火组织更细，轻度、硬度更高些。 正火与退火的选择：二者生产中可互相代替。选用上主要考虑：

（1）从使用性能上考虑：①性能要求不高，可用正火作为最终热处理，提高力学性能；②零件形状复杂时，正火有形成裂纹的危险，采用退火；③正火可可减少热处理（淬火）变形开裂倾向。 （2）从切削加工性上考虑：低碳钢用正火，高碳钢用退火。

（3）从作用上考虑：过共析钢在球化退火之前往往要先进行一次正火。

（4）从经济上考虑：正火比退火生产周期短，能耗小且操作简单。应优先考虑。 2.钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间后快速冷却，获得马氏体组织的热处理工艺。其目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。 一）淬火加热温度 如图2.24

1、亚共析钢：适宜的淬火加热温度：Ac3+30～50℃。如加热温度﹤Ac3线，钢中将出现F组织，造成淬火硬度不足；如加热温度过高，淬火后得到粗大M组织，使钢的韧性降低，引起钢件变形。 2、过共析钢：适宜的淬火加热温度：Ac１+30～50℃。如加热温度高出现1）淬火后得到粗片状M，增加工件变形和开裂倾向。2）A含碳量增加，淬火后钢的硬度和耐磨性降低。 3、合金钢：多数合金元素阻碍A晶粒长大，其淬火温度比碳钢高，可使合金元素充分溶解和均匀化。

图2.24 碳钢淬火加热温度范围

二）淬火加热时间

1、加热时间：由升温时间和保温时间组成。零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间，以此作为保温时间的开始。加热时间常根据经验公式估算或通过实验确定。 2、保温时间：指零件烧透及完成奥氏体化过程所需要的时间。 3、热处理缺陷：主要有过热、过烧或表面氧化、脱碳等

4、过热：指工件在淬火加热时，因温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大，而使马氏体粗大，引起脆断、淬火裂纹。可用细化晶粒的退火或正火纠正过热工件。

5、过烧：是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化。过烧的工件无法补救，只得报废。

6、氧化和脱碳：氧化使工件尺寸减小，表面粗粗糙度降低，影响淬火冷却速度。表面脱碳使工件表面含碳量降低，导致工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度降低。 三）淬火冷却介质

淬火过程冷却非常快。冷却速度快必然产生很大淬火内应力，会引起工件变形。

淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂。理想的淬火冷却曲线如图2.25

１．理想淬火冷却速度

由C曲线可知：在“鼻尖”温度以上，尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力，有效防止工件变形与裂纹产生。

图2.25 理想的淬火冷却曲线

2.常用淬火介质：常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。 表2-5 常用淬火介质 淬火冷却介质 水 盐水 冷却特性 冷却能力很强，但冷却特性不理想．需要快冷的500～650℃温度范围，冷却慢．而在200～300℃需要慢冷时，它的冷却速度反而很大． 500～650℃温度范围，冷却能力提高到约为水的10倍， 200～300℃冷却速度过大． 矿物油（机油、变它比水的平均冷却速度小得多，20＃机油在200～300℃时平均冷却速度为压器油、柴油等 ） 65℃/S ，常用于淬透性较高的合金钢或尺寸小、形状复杂的碳钢件 硝盐浴和碱浴 硝盐浴和碱浴的冷却能力介于水和油之间，通常使用温度在１５０～300℃．

（四）淬火方法

选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。其方法包括：

（1）单液淬火:将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。操作简单，容易实现机械化，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。

（2）双液淬火:先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。

（3）分级淬火:将奥氏体状态的工件首先放入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。

（4）等温淬火:将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，获得下贝氏体组织的淬火方法。

(5)局部淬火法：对工件局部要求硬化部分加热淬火。

（6）冷处理：将淬火冷却到室温的钢继续冷却到-70至-80℃，然后低温回火，消除应力，稳定新生马氏体组织。

（五）钢的淬透性：指钢在淬火时获得淬硬层（淬透层）深度的能力。是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。淬硬性深度：由钢表面至内部马氏体组织量50%处的距离。 3.钢的回火

淬火后的钢铁工件处于高内应力状态，不能直接使用，一般要回火，否则有工件断裂的危险。 1、回火：将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。

2、回火的目的：消除淬火内应力，降低脆性，稳定工件的尺寸，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，调整工件的内部组织，调整硬度，提高塑韧性，满足工件的使用要求。 一）回火的分类

按照回火温度和工件所要求的性能，回火分为:低温回火，中温回火、高温回火。

（1）低温回火（250℃～350℃）：目的：降低淬火内应力和脆性。回火后组织为回火马氏体，硬度 58～62HRC。

（2）中温回火（35℃～500℃）：中温回火后的工件有较高的弹性极限和屈强比，较好的冲击韧性。用于处理各种弹性零件和热锻模。回火组织：回火托氏体，硬度35～45HRC。 （2）高温回火（500℃～650℃）。回火组织：回火索氏体，硬度 25～35HRC。

工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。调质处理后的钢与正火比：塑性和冲击韧性显著提高；强度提高；硬度值接近。

表2-6 45钢（Φ20mm～Φ40mm）调质与正火处理后力学性能比较 热处理状态 正火 调质 σb（MPa） 700～800 750～850 δ（%） 15～20 20～25 αk（J） 40～64 64～96 HBS 163～220 210～250 组织 索氏体＋铁素体 回火索氏体

复习思考题

1.实习车间的齿轮、轴、螺栓、手锯、榔头、游标卡尺是用什么材料制造出来的？

2．Q235、45、T10A、9SiCr、 16Mn、20Cr、50Si2Mn、W18Cr4V、QT600－02等材料牌号的意义是什么？

3. 什么是热处理？常用的热处理方法有哪些？ 4.热处理保温的目的是什么？ 5.比较退火和正火的异同点。 6.淬火的目的是什么？ 7.淬火后为什么要回火？

8.什么是调质？调质能达到什么目的？