钢的热处理介绍及钢的判别

2012-03-28

金属材料进行热处理是改善和提高零件性能的重要方法,因此在零件的制造过程中,热处理是不可缺少的。
一、常用的金属材料——钢与铸铁
金属材料包括纯金属及其合金(即在一种金属中加入其它元素所形成的金属材料)。工业上又把金属材料分为两大类:一类为黑色金属,它包括铁、锰、铬及其合金,其中以铁基合金(即钢和铸铁)应用最广;另一类为有色金属,是指除黑色金属以外的所有金属及其合金。
在工业上使用的金属材料中,以钢和铸铁使用最多。钢和铸铁(总称为钢铁材料)是以铁为主,加入碳等其它合金元素所组成的,故称为铁碳合金材料。一般把含碳量小于2%的铁碳合金称为钢;大于2%的铁碳合金称为铸铁。
1.钢的分类、编号及性能特点:
根据成分不同钢可分为碳素钢(简称碳钢)和合金钢两类。
(1)碳素钢
碳素钢中以铁和碳为主要元素,但常含有Mn、Si、S、P等杂质元素,其中S、P对钢的性能危害很大。因此根据硫、磷含量多少,把钢分为:普通质量钢(S≤00.0%,P≤0.005%)优质钢(S≤0.03%,P≤0.035%),高级优质钢(S≤0.02%,P≤0.003%)等。碳钢的性能主要绝定于含碳量的高低,随着含碳量的增多,碳钢的强度、硬度提高,塑性和韧性降低。根据含碳量的多少,碳钢分为低碳钢(C≤0.25%)、中碳钢(C=0.3~0.6%)和高碳钢(C>0.6%)。所以低碳钢的强度、硬度低,塑性韧性好,常用于受力较小的冲压件(如皮带轮罩壳、垫圈、自行车的挡泥板等)、焊接件等;高碳钢的强度高,塑性低,常用于制造受力较大的弹簧等零件;中碳钢既有一定强度,也有一定塑性,常用于制备受力较大、较复杂的轴类零件等。
工业上根据用途不同,将碳素钢分为碳素结构钢和碳素工具钢。
(a)碳素结构风
该类钢主要用于各种结构件。根据钢的质量不同(即S、P含量)分为碳素结构钢和优质碳素结构钢。
碳素结构钢是属于普通质量钢,其牌号表示方法为Q 三位数字。Q为“屈”字的汉语拼音子首,后面三位数为表示该钢的屈服点(Mpa)数值,如常用的Q235,表示屈服点为235MPa的普通质量钢。Q235钢的旧牌号称为A3钢,一般受力不大、不重要零件常用Q235钢制造,如一般的螺钉、螺母、冲压件、焊接件。桥梁建筑的结构件等。属于这类钢的还有Q195、Q215、Q255、Q275等。
优质碳素结构钢优质碳素结构钢常经热处理后使用,其牌号的一般表示方法为两位数字,这两位数字表示该钢的含碳量的万分数。如45号钢,表示该钢的含碳量为0.45%左右。常用的优质碳素结构钢为20、45和65号钢。20号钢属低碳钢,45号钢属中碳钢,65号钢属高碳钢。
(b)碳素工具钢
该类钢主要用于制造各种工具、量具、模具及量具等。该钢的牌号表示方法是“T”后面加一位或两位数字组成。T为“碳”字汉语拼音字首,后面的数字表示该钢含碳量的千分数。如T8A钢,表示含碳量为0.8%的高级碳素工具钢;T12表示含碳量为1.2%的碳素工具钢。常用的碳素工具钢有:T7、T8、T10、T12等。
该类钢的含碳量较多,强度、硬高度、耐磨性好,经热处理后使用。常用于高强度、高耐磨性的零件和工具等如锉刀、锯条、简单小型冲模等。
(2)合金钢
合金钢是在碳素钢的基础上再加入其它合金元素所形成的钢。合金元素的加入是为了改善与提高钢的力学性能和获得某些特殊性能(如耐蚀性)。常用的合金元素有Mn、Cr、Ni、Si、W、Mo、Ti等。
按加入的合金元素含量多少可分为低合金钢(合金元素总含量<5%)、中合金钢(合金元素总含量5~10%)和高合金钢(合金元素总含量>10%)。工业上按合金钢的用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。
(a)合金结构钢用来制造各种重要的机械零件,其编号为:数字 化学元素符号 数字,前面的为两位数字,表示钢的平均含碳量的万分之几,后面的数字表示含合金元素含量的百分比。如60Si2Mn,60表示含碳量0.6%;Si2表示含硅量为2%;含Mn为≤1.5%。这类钢中应用较多的是40Cr钢。
(b)合金工具钢这类钢常用于制造各种刀具、模具和量具等。其牌号表示方法和合金结构钢类似,不同的是第一位数表示含碳量的千分之几,且大于1%时不标出。例如3Cr2W8V钢。高速钢是常用的合金工具钢,含碳量一般不标出,如W18Cr4V,其含碳量为0.7~0.8%。W18Cr4V常用于制造车刀、铣刀、刨刀和各种冲模。(c)特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的合金钢,不锈钢是其中一种,常用的牌号为1Cr18Ni9。
2.铸铁
常用铸铁的成分与钢不同,铸铁的含碳量大于2%(常用2.5~4%C),其杂质远大于钢。铸铁的组织中有石墨存在,石墨的强度近于零,因此石墨存在相当于钢的基体上存在裂缝或空洞,使铸铁的性能比钢低,特别是抗拉强度和塑性低,不能进行锻压加工,但其硬度和抗压强度较好,所以铸铁主要用于承受压力的零件。工业上根据石墨形状不同分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。
(1)灰铸铁
石墨以片状形态存在的铸铁称为灰铸铁。由于片状石墨存在,其石墨尖端的应力集中现象,使灰铸铁的抗拉强度及塑性低。灰铸铁的牌号为HT后加三位数字。三位数字表示最低的抗拉强度(Mpa)。例如HT200、HT250和HT300等共六种。
(2)可锻铸铁
石墨以团絮状的形态存在的铸铁称为可锻铸铁。由于团絮状石墨对应力集中影响较小,故可锻铸铁的力学性能较灰铸铁高。可锻铸铁的牌号为三个拼音字和二组数字:如KTH300-06、KTZ550-04。KT表示“可锻”,“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的拼音字首;前一组三位数表示最低的抗拉强度(Mpa);后一组数字表示最低伸长率(%)。
(3)球墨铸铁
石墨以球状形态存在的铸铁称为球墨铸铁。由于球状石墨的应力集中影响更小,故球黑铸铁的性能最好。球墨铸铁的牌号表示和可锻铸铁类似,就是把拼音字母改为“QT”。如QT450-10、QT600-3等。
二、钢的热处理工艺
热处理就是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构的工艺。所以热处理的过程就是按加热→保温→冷却这三阶段进行,这三个阶段可用冷却曲线来表示(如图所示)。不管是那种热处理,都是分这三个阶段,不同的是加热温度、保温时间和冷却速度不同。
热处理工艺的特点是不改变金属零件的外形尺寸,只改变材料内部的组织与零件的性能。所以钢的热处理目的是消除材料的组织结构上的某些缺陷,更重要的是改善和提高钢的性能,充分发挥钢的性能潜力,这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义。
钢的热处理种类分为整体热处理表面热处理两大类。常用的整体热处理有退火,正火、淬火和回火;表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。
1.退火
退火就是将金属或合金的工件加热到适当温度(高于或低于临界温度,临界温度即使材料发生组织转变的温度),保持一定的时间,然后缓慢冷却(即随炉





加热保温冷却
冷或者埋入导热性较差的介质中)的热处理工艺。退火工艺的特点是保温时间长,冷却缓慢,可获得平衡状态的组织。
钢退火的主要目的是为了细化组织,提高性能,降低硬度,以便于切削加工;消除内应力;提高韧性,稳定尺寸。使钢的组织与成分均匀化;也可为以后的热处理工艺作组织准备,根据退火的目的不同,退火有完全退火、球化退火、消除应力退火等几种。
退火常在零件制造过程中对铸件、锻件、焊件接进行,以便于以后的切削加工或为淬火作组织准备。
2.正火
将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后,在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织,改善钢的性能,获得接近平衡状态的组织。
正火与退火工艺相比,其主要区别是正火的冷却速度稍快,所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时,尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火,若用正火,由于冷却速度较快,使其正火后硬度较高,不利于切削加工。
3.淬火
将钢件加热到临界点以上某一温度(45号钢淬火温度为840-860℃,碳素工具钢的淬火温度为760~780℃),保持一定的时间,然后以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快,目的是为了获得马氏体组织。也就是说要获得马氏体组织,钢的冷却速度必须大于钢的临界速度。所谓临界速度就是获得马氏体组织的最小冷却速度。钢的种类不同,临界冷却速度不同,一般碳钢的临界冷却速度要比合金钢大。所以碳钢加热后要在水中冷却,而合金钢在油中冷却。冷却速度小于临界冷却速度得不到马氏体组织,但冷却速度过快,会使钢中内应力增大,引起钢件的变形,甚至开裂。马氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织,它的硬度高,但塑性、韧性差。马氏体的硬度随钢的含碳量提高而增高。所以高碳钢、碳素工具钢淬火后的硬度要比低、中碳钢淬火后的硬度高。同样马氏体的塑性与韧性也与钢的含碳量有关,含碳量低,马氏体的塑性,韧性就较好。
4.回火
钢件淬硬后,再加热到临界温度以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
淬火后的钢件一般不能直接使用,必须进行回火后才能使用。因为淬火钢的硬度高、脆性大,直接使用常发生脆断。通过回火可以消除或减少内应力、降低脆性,提高韧性;另一方面可以调整淬火钢的力学性能,达到钢的使用性能。根据回火温度的不同,回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
(1)低温回火
淬火钢件在250℃以下的回火称为低温回火。低温回火主要是消除内应力,降低钢的脆性,一般很少降低钢的硬度,即低温回火后可保持钢件的高硬度。如钳工实习时用的锯条、锉刀等一些要求使用条件下有高硬度的钢件,都是淬火后经低温回火处理。
(2)中温回火
淬火钢件在250℃~500℃之间的回火称为中温回火。淬火钢件经中温回火后可获得良好的弹性,因此弹簧、压簧、汽车中的板弹簧等,常采用淬火后的中温回火处理。
(3)高温回火
淬火钢件在高于500℃的回火称为高温回火。淬火钢件经高温淬火后,具有良好综合力学性能(既有一定的强度、硬度,又有一定的塑性、韧性)。所以一般中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理。轴类零件应用最多。淬火 高温回火称为调质处理。
5.表面热处理
仅对工件表层进行热处理以改变组织和性能的工艺称表面热处理。
(1)表面淬火仅对钢件表层进行淬火的工艺称为表面淬火。其热处理的特点是用快速加热的方法把钢件表面迅速加热到淬火温度(这时钢件的心部温度较低),然后快速冷却,使钢件的一定深度表层淬硬,心部仍保持其原来状态。这样就提高钢件表面硬度和耐磨性,心部仍具有较好的综合力学性能(一般表面淬火前进行了调质处理)。例如齿轮工作时表面接触应力大,摩擦利害,要求表层高硬度,而齿轮心部通过轴传递动力(包括冲击力)。所以中碳钢制造的齿轮是调质处理后,再经表面淬火。表面淬火由于采用的快速加热方法不同有:火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火。感应加热表面淬火又由于电源频率不同有高频淬火、中频淬火。
(2)化学热处理将金属或合金工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,以改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。化学热处理的过程也是加热→保温→冷却的三个阶段,其不同的是在一定介质中保温。根据渗入元素不同,化学热处理有渗低碳合金钢(如20,20Cr钢);气体渗碳时的渗碳剂为煤油或乙醇;渗碳温度为900-950℃,煤油或乙醇在该温度下裂解出活性碳原子[C],[C]就渗入低碳钢件的表层,然后向内部扩散,形成一定厚度的渗碳层。
6.热处理常用加热设备
热处理中常用的加热设备主要有加热炉、测温仪表、冷却设备和硬度计等。其中加热炉有很多种,常用电阻炉和盐浴炉。
(1)电阻炉电阻炉是利用电流通过电热元件(如金属电阻丝,SiC棒等)产生的热量来加热工件。根据其加热的温度不同,可分为高温电阻炉、中温电阻炉和低温电阻炉等。又根据形状不同分为箱式电阻炉和井式电阻炉等多种。这种炉子的结构简单,操作容易,价格较低,主要用于中、小型零件的退火、正火、淬火、回火等热处理。其主要缺点是加热易氧化、脱碳,是一种周期性作业炉,生产率低。
(2)盐溶炉盐浴炉是用熔融盐作为加热介质(即工件放入熔融的盐中加热)的加热炉。使用较多的是电极式盐浴炉和外热式盐浴炉。盐浴炉常用的盐为氯化钡、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠。由于工件加热是在熔融盐中进行,与空气隔开,工件的氧化、脱碳少,加热质量高,且加热速度快而均匀。盐浴炉常用于小型零件及工、模具的淬火和回火。
三、钢铁材料的火花鉴别
1.火花鉴别的基本知识
火花鉴别是利用钢铁材料在高速旋转的砂轮上磨削时,根据所产生的火花形状、光亮度和色泽等特征大致鉴别钢铁材料的种类及化学成分。
钢铁材料在砂轮上磨削时所射出的全部火花称作火花束,它有根部火花、中部火花和尾部火花组成。火花束中由灼热发光的粉末形成线条状的火花称为流线。流线在中途爆炸而形成的稍粗而明亮的点称为节点。节点处所射出的线称为芒线。流线或芒线上由节点、芒线所组成的火花称节花。节花按爆发先后分为一次花、二次花、三次花等。芒线附近呈现明亮的点称为花粉。有时在流线尾端会出现不同形状的尾花(菊花状尾花、弧尾花、羽状尾花等)。
2.常用钢铁材料的火花特征
碳是钢铁材料火花形成的基本元素,也是火花鉴别法需要测定的主要成分。由于含碳量不同,其火花形成也不同;合金元素也影响火花的特征。
(1)碳素钢的火花特征
随着含碳量的增加,火花束中流线增多,长度逐渐缩短并变细,其形状也由挺直转向抛物线;芒线也逐渐变细变短;节花由一次花逐渐形成二次花,三次花;色泽由草黄带暗红色逐渐转变为亮黄色再转变为暗红色,光亮度逐渐增高。
低碳钢的火花束为粗流线、流线数量少,一次花较多,色泽草黄带暗红。
中碳钢流线较直,中部较粗大,根部稍细,二次花较多,色泽呈黄色。
高碳钢流线长,密而多,有二次花、三次花,色泽呈黄色且明亮。
(2)高速钢(W18Cr4V)的火花特征
火花束细长,流线较少,大部分呈断续状态,有时呈波状流线;整个火花束呈暗红色,无火花爆裂;尾端膨胀而下垂成弧尾状。
(3)灰铸铁的火花特征
火花束细而短,尾花呈羽状,色泽为暗红色。

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