金属材料及热处理

金属材料及热处理基础知识热处理热处理的作用

热处理是将钢在固态下加热到顶定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺通过热处理可以改变钢的内部组织结构，从而改善其工艺性能和使用性能，充分挖掘钢材的潜力，延长零件的使用寿命，提高产品质量，节约材料和能源正确的热处理工艺还可以消除钢材经铸造、锻造、焊接等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使组织和性能更加均匀在生产工艺流程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋于工件所需使用性能的热处理称为最终热处理，而将热加后为随后冷拔、冲压和切削加工或最终热处理作好组织准备的热处理称为预备热处理热处理工艺介绍退火

将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺钢的退火工艺种类很多，根据加热温度可分为两大类，一类是在临界温度(Ac1或Ac3)以上的退火，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等，另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等，根据冷却方式不同，退火又可分为连续退火和等温退火等阀门零件常用的三种退火，不完全退火与完全退火、去应力退火不完全退火：不完全退火是将钢加热至Ac1-Ac3(亚共析钢)或Ac1-Accm(过共析钢)之间，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺，不完全退火加热温度较完全退火低，工艺周期也较短，消耗热能较少，可降低成本，提高生产效率，因此，对锻造工艺正常的亚共析钢锻件，可采用不完全退火代替完全退火，一般马氏体不锈钢如1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2等锻造后用此方法来达到目的完全退火：完全退火是将钢加热到Ac3温度以上，保温足够的时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺，完全退火的目的是为了细化品粒、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、降低硬度、改善切削加工性能和冷塑性变形性能，完全退火加热温度不宜过高，一般在Ac3以上20、30℃，退火后的冷却速度应缓慢，以保证奥氏体在Ar1温度以下不大的过冷条件下进行珠光体转变，避免硬度过高，一般碳钢的冷却速度应小于200℃／h，低合金钢的冷却速度应为100℃／h，高合金钢的冷却速度应为50℃／h完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢，如将奥氏体化后的钢很快阵至稍低于Ar1的温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温，则可显著缩短退火时间，这种退火方法称为等温退火等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高台金钢等。等温退火还有利于工件获得均匀的组织和性能，但是，对于大截面工件和大批量炉料，等温退火不易使工件内部达到等温温度，故不宜采用此法，在阀门零件中，35CrMo的螺栓用此工艺去应力退火：为了消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机械加工工件中的残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂，在精加工或淬火之前将工件加热至Ac1以下目一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，这种热处理工艺称为去应力退火，钢件的去应力退火加热温度很宽，应根据具体情况来决定，一班在500-650℃之间，对于某些经受冷变形加工的工件，如冷卷弹簧，为了消除冷卷时产生的内应力，同时保持其高弹性极限，去应力退火的温度应在250-300℃之间，保温后应缓慢冷却，以免产生新的应力，冷至200-300℃出沪，再空冷至室温

正火正火是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到珠光体类型组织的热处理工艺正火与完全退火相比，二者的加热温度相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低正火只适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适用于高合金钢。因为高合金钢的奥氏体非常稳定，即使在空气中冷却也会获得马氏体组织正火的加热温度通常在Ac3或Accm以上30-50℃，正火是比较简单、经济的热处理方法，在生产中应用较广泛，主要目的是为了细化晶粒，使其组织更加均匀，改善机加工性能，在阀门中一般25#，45#钢的零件采用此工艺淬火

将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度．保温一定时问，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火，它可以显著提高钢的强度和硬度在正常淬火条件下，得到马氏体组织与零件材料含碳量有关，含碳量高，马氏体多，硬度就高，所以一般控制在含碳量大于0.25%以上，才能通过淬火淬硬

淬火钢在水中或在冷却最快的盐水中冷却，某些合金钢在油中冷却，高合金钢、马氏体（13）型不锈钢如1Cr13、2Cr13、3Cr13等在空气中冷却淬火后应力较大,通常很硬和很脆,容易断裂,为使钢淬火后消除应力,具有韧性,必须进行回火表面热处理

表面热处理指零件的表面淬火，通过表面淬火来强化零件的表层，这种方法不但能够使零件表面硬度、耐磨性得到提高，而且使心部保持较好的韧性，从而使零件具有耐磨性，冲击韧性，疲劳强度、较高的综合机械性能。按加热方法，有不同表面淬火，常用方法是火焰加热表面淬火与感应加热表面淬火火焰表面淬火，工厂常用氧一乙炔燃烧火焰来淬火，特点：设备费用低、简单容易进行，方法灵活，可对大型零件的局部进行快速表面淬火，但难以控制适中的加热温度，软点、软带缺陷难以控制，淬透层深度不稳定

高频感应加热淬火，高频感应加热是基于电磁感应的原理，将零件放在交流电源的交变磁中由于电磁感应在零件表面产生涡流，从而使零件本身得到加热，这样方法为高频感应加热淬火。特点：淬透层深度可以控制，一般在0.5～2mm之间，加热速度快，时间短，零件脱碳少，淬火变形小

表面淬火硬度比普通淬火硬度高2-3HRC，这样提高了零件表面耐磨性和疲劳极限。但是加热设备成本高维修比较复杂，并且，由于感应器形状制作有一定的限制表面局部淬火有一定局限性。在阀门中，表面淬火的零件由阀杆、阀瓣及密封圈等回火把淬火后的零件加热到低于相变温度（Ac1）的某一个温度，并在此温度下保持一定的时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温的热处理工艺称为回火其目的是为了消除因淬火造成的内应力，提高钢的韧性，并获得所需要的各项机械性能回火可分为，高温回火、中温回火及低温回火三种回火方法经正常淬火后的钢，其机械性能随回火温度的不同而变化，一般说来，回火温度越高，硬度和强度越低，而塑性和韧性越高调质把淬火后的零件进行高温回火，这种把淬火和高温回火结合在一起的热处理方法，通常称为调质处理通过调质后的零件材料金相组织为回火索低体，其目的是得到强度硬度，塑性和韧性良好的综合机械性能调质处理在阀门中的零件是常用的热处理工序调质处理用作于马氏体不锈钢（1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2）及合金钢软化手段，它可作为预先热处理，也可作为最终热处理

作为预选热处理，一方面是为了满足切削加工上的需要，如降低硬度，另一方面也是为最终热处理作好组织准备调质处理，得到回火索氏体组织，其机械性能比正火要优越得多，如碳钢45钢调质后屈服极限和冲击韧性，比正火处理高40%，而强度极限和断面收缩率也比正火高5-6%，调质后的性能是与零件的淬透性密切相关的，只有当零件淬透时才能获得最佳的机械性能调质作为最终热处理是为了零件得到良好综合机械性能特别是高的冲击韧性，尤其阀门零件，阀杆、阀瓣及内腔零件，有一些外腔零件如螺栓、压板等，在动载荷下工作受到各种冲击、压力、拉伸、扭曲的作用，采用调质处理工艺能保证零件抵抗的能力，达到使用要求。调质后的回火索氏体组织实际在金相显微镜中看到为球状碳化物和铁素体的混合物，一般硬度在200-321HB之间，随着回火温度升高，组织受到变化，从而使机械性能强度硬度下降，塑性、韧性、升高

焊后消氢热处理对于冷裂裂纹倾向大的高强度钢的焊接和采用不予热堆焊的硬质合金工件，焊接后或堆焊后应立即将工件加热到250-350℃温度范围内，保温2-6小时后空冷，使焊缝中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区的氢含量，防止产生冷裂纹固溶化处理将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，保持一段时间，使其中的碳化物充分分解，并溶于晶粒中，然后急冷下来，可大大减轻晶界富碳现象，晶界也没有生成碳化铬的可能，从而消除晶间腐蚀倾向稳定化处理将含钛或含铌的奥氏体不锈钢加热到850-900℃，保温一定的时间后空冷，使奥氏体中析出一部分碳化钛（或碳化铌）这样，碳就几乎全部稳定于碳化钛或碳化铌中，从而保证了钢中的含碳量不至于形成碳化铬，故称为稳定化处理，其目的通过稳定化处理后可预防这类钢的晶间腐蚀时效处理指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较长时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。化学热处理化学热处理是把钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。化学热处理主要作用有强化工件表面（硬度，耐磨性，疲劳极限），以及保护工件表面（耐高温，耐腐蚀性）等。渗碳处理渗碳处理是把钢放在渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程。渗碳处理主要应用于表面硬而耐磨，心部强度、韧性好，且疲劳强度高的场合。渗碳层最佳含碳量0.85～1.05%。渗碳后，工件表层含碳量为0.85~1.05%，从表层到心部含碳量逐渐减少，心部为原来低碳钢的含碳量渗碳后的热处理工件渗碳后必须进行热处理，只有这样才能发挥出渗碳层的作用。直接淬火法：工件的渗碳温度为900~950℃,渗碳后+先预冷+淬火+低回预冷的目的是为了减少淬火变形与开裂，并使表层析出一些碳化物，降低残A，提高表层硬度，预冷温度略高于Ar3,目的是为避免析出铁素体。渗碳后的热处理一次淬火法：渗碳后出炉缓冷+再加热到淬火温度进行淬火+低回二次淬火法：渗碳+缓冷+第一次淬火（或正火）（细化心部组织，消除表层网状渗碳体），加热到（850～900°C）→渗碳+缓冷+第二次淬火（或正火）（改善碳化层组织与性能750～800°C）→渗碳+缓冷+低回。氧化处理氧化处理的原理是在零件表面形成致密的氧化膜作为防锈处理氧化处理应该算作化学处理类工序：表面预处理（去应力、去油污除尘、酸洗、清洗）→氧化（浸在氧化溶液中/温度/时间）→漂洗（流动清水、氧化后清洗前不允许干燥）→填充处理（需要的话皂化或填充处理）→漂洗（填充处理后用热水漂洗）→干燥→防锈处理（防锈液中浸泡）布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。实验原理

用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。洛氏硬度洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示.HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。实验原理用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值洛氏硬度优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；洛氏硬度试验采用了3种压头，6种试验力，根据金属材料材质、硬度范围及尺寸的不同，共有15个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎全部常见的金属材料，应用范围十分广阔。洛氏硬度计在工业生产中得到了广泛应用，成为检验产品质量，确定合理加工工艺的主要手段。可测试各种黑色和有色金属，测试淬火钢、回火钢、退火钢、表面硬化钢、各种厚度的板材、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。洛氏硬度缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间联系，也不能直接进行比较。维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HV表示。实验原理与布氏硬度试验原理基本相同。只是压头改用了金刚石四棱锥体。维氏硬度优点：适用范围广，从极软到极硬材料都可测量：测量精度高，可比性强；能测较薄工件。缺点：测量操作较麻烦，测量效率低。应用：广泛用于科研单位和高校，以及薄件表面硬度检验。不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

金属材料4130低合金钢

4130低合金钢广泛用于各种产品，具有良好的综合机械性能。这种材料通常经过调质处理后使用。材料类型低合金钢，包含1%的铬和0.2%的钼。强度符合API60K和75K强度需求。可淬硬性中等-热处理后，在厚度12“的范围内屈服强度可达60ksi。厚度2“的范围内屈服强度可达75ksi。耐腐蚀性低—通常用作AA/BB/DD/EE的体盖零件和AA/DD的内件。酸性环境硬度不超过22HRC(237HB)时可以使用温度等级好。适用于API温度等级K，L，P，S，

T，

U，

V。焊接性能通常要求事先预热和焊后热处理。机加工性好.注

释AISI410不锈钢

AISI410是一种可以锻造的马氏体不锈钢。我们常说的不锈钢就是指它(用于CC或FF级要求)。AISI410至少含有11.5%的铬。由于含有大量的铬，410可以在空气中冷却，并仍能形成100%的马氏体，即使其截面很厚。在空气中冷却及NACE22HRC的硬度限制之下，410不锈钢可淬硬达到API75K的强度，硬化深度可达12英寸（相当于直径24英寸的线材）。如果需要更大的淬硬深度，可将410在油中淬火。但是，不要将410放在水中淬火，因为它容易产生淬火裂纹。这种材料通常经过淬火和二次回火后使用材料类型不锈钢，含13%铬。强度符合API60K和75K强度需求。可淬硬性好-热处理后，在厚度24“的范围内屈服强度可达75ksi。耐腐蚀性好—可在腐蚀性环境中用作CC级(常规环境)或FF级(酸性环境)材料。酸性环境硬度不超过22HRC(237HB)时可以使用温度等级好。适用于API温度等级P，S，

T，

U，

V。符合API6A规定的-29℃以下温度条件下冲击实验要求。焊接性能通常要求事先预热和焊后热处理。机加工性好.注

释其铸造类的钢号是CA15.AISI410不锈钢性能参数AISI410不锈钢限制条件在含有高浓度的氯化物情况下，410容易出现坑点腐蚀。用于-29℃环境中，请务必牢记两个限制：首先，当金属材料直径超过12英寸时它可能不再符合API冲击要求。该问题与大截面金属材料的锻压比下降有关。第二个限制是与焊接有关。在-29℃温度条件下，需