金属材料的分类及热处理优化方案

2023-06-16 理论教育版权反馈

【摘要】：金属材料常分为黑色金属和有色金属。正因为钢的热处理是在不改变金属材料牌号的前提下，使之得以强化，充分发挥材料的内部潜力，故是提高机械产品质量，降低成本的一种重要手段。回火温度在150 ～250℃，主要用来降低材料的脆性和淬火应力，并能保持较高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。回火温度在350 ～500℃，其特点是既能保持材料一定的韧性，又能保持一定的弹性和屈服点，常用于弹簧和承受冲击的零件。

金属材料常分为黑色金属( 如钢、铸铁等) 和有色金属( 如铜、铝、钛及其合金等) 。

(一)钢

在纺织机械中，钢和铸铁是最常用的材料。钢和铸铁都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2.1%的铁碳合金称为钢。含碳量大于等于2.1%的铁碳合金称为铸铁。但通常使用的钢，含碳量在0.05% ～0.7%。与铸铁相比，钢具有较高的强度、韧性和塑性，并可用热处理的方法来改善其力学和加工性能。钢制零件可用锻造、碾压、冲压、焊接、铸造、切削等方法获得，因此在纺织机械中应用极其广泛。

1.钢的分类按照用途，钢可分为结构钢( 用于制造机械零件和工程结构的构件)、工具钢( 用于制造刀具、量具和模具等) 和特殊钢( 如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、滚动轴承钢等) 。根据化学成分的不同，又可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，合碳量的增高，虽然强度和硬度有所增加，但钢的脆断性增大，焊接性和冷加工性能有所降低。为了改善钢的性能，特意加入一些合金元素，就是合金钢。

(1) 碳素钢。按用途不同碳素钢可分为碳素结构钢和碳素工具钢。碳素结构钢又可以分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

普通碳素结构钢的牌号中，Q 为“屈”字汉语拼音的首字字母，指屈服强度，后面的数字代表屈服极限值。为了表示钢的质量等级，在数字后面加注字母A、B、C、D，D 的质量等级最高。如Q235A。

普通碳素结构钢在冶炼时主要控制其力学性能，而对钢的化学成分控制较松，一般不需热处理，常在供货状态下直接使用。因为热处理对提高力学性能作用不明显。

优质碳素结构钢的牌号用两位数表示，代表平均含碳量的万分之几，后面的字母A 表示高级，F 表示脱氧方法，Mn 表示锰元素含量较高(0.7% ～1.0%) 。含碳量低于0.25%的钢为低碳钢，其强度和硬度低，但塑性和焊接性能好，适用于冲压、焊接等方法成型，如20#钢:含碳量在0.25% ～0.6%的钢为中碳钢，有良好的综合力学性能，应用最广，如45#钢: 含碳量高于0.6%的钢为高碳钢，如65#钢，常用作弹性元件和易磨损元件。

优质碳素结构钢一般须经过热处理，可获得较高的弹性极限和较高的屈服强度。

碳素工具钢的牌号中T 为“碳”字汉语拼音的首字字母，后面的数字代表平均合碳量的千分之几，后面的字母A 表示高级，Mn 表示锰元素含量较高(0.4% ～0.6%) 。

碳素工具钢一般也需要经过热处理才可使用，以获得较高的硬度，但同时会产生较大的脆性。

(2) 合金钢。在碳素钢中添加合金元素后，就成为合金钢。添加合金元素的目的主要是为了改善钢的力学性能、工艺性能及物理性能。

合金钢的分类及牌号:钢的牌号用数字及合金元素符号表示。最前面的数字，一位数代表平均含碳量的千分之几，两位数代表平均含碳量的万分之几; 若无数字，代表平均含碳量小于0.1%。后面的字母则表示主加元素，主加元素如果小于1.5%，仅标明元素，大于1.5%，则标出数字，代表平均含量的百分之几，常用的如40Cr;个别低铬合金工具钢，铬的含量用千分之几表示，但在含量前加0，如Cr06，最后面的字母A 表示高级。

合金元素在合金钢中的作用:

①镍( Ni) 提高强度，但不降低韧性。

②铬( Cr) 提高高温强度，耐腐蚀、耐磨损，在不锈钢中，必须和镍( Ni) 同时使用。

③锰( Mn) 提高强度、耐磨性及韧性。

④钼( Mo) 作用同锰( Mn) ，但其耐热性更强。

⑤钒( V) 提高韧性和强度。

⑥硅( St) 提高强度和耐磨性，但对韧性不利。

2.钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态状态下进行不同温度的加热、保温和冷却的工艺方法，促使其内部组织结构发生变化，从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的目的。正因为钢的热处理是在不改变金属材料牌号的前提下，使之得以强化，充分发挥材料的内部潜力，故是提高机械产品质量，降低成本的一种重要手段。在钢制的纺织机械零件中应用很多。

常用的热处理方法有:退火、正火、淬火、回火、调质、时效及化学处理等。各热处理方法的时间与温度的关系见图5-1。

(1) 退火。把钢加热到临界温度( 在钢的固态范围内，引起钢内部组织结构发生变化的温度) 以上30 ～50℃，经过适当的保温后，随炉温一起缓慢冷却下来的热处理工艺称为退火。

退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，细化结晶组织结构，改善力学性能和切削加工性能，消除或减小铸件、锻件及焊接件的内应力。

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图5-1　常用的热处理方法

(2) 正火。将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后再空冷、风冷或喷雾冷却。它的冷却速度比退火快，作用与退火相似，但比退火经济，成本低，可作为零件的最终热处理。

(3) 淬火。将零件加热到临界温度以上，保温一段时间后，然后在水中或油中迅速冷却。由于材料内部组织结构的变化，使其硬度提高，耐磨性加强，但材料的脆性也增加，塑性下降。由于淬火温度变化过快，材料内部形成较大的淬火应力，会导致零件的变形或开裂。淬火不能作为零件的最终热处理，通常要经过适当的回火处理，以消除淬火应力。

钢经过淬火后可以细化组织、增加强度、显著提高硬度。

(4) 回火。将淬火后的零件重新加热到临界温度以下的某一温度，保温一段时间后，然后在空气中冷却。根据对零件要求的不同，可采用不同的回火温度。回火温度越高，材料的硬度和强度下降越多，而塑性和韧性则显著提高。

①低温回火。回火温度在150 ～250℃，主要用来降低材料的脆性和淬火应力，并能保持较高的硬度和耐磨性，常用于刀具、模具等。

②中温回火。回火温度在350 ～500℃，其特点是既能保持材料一定的韧性，又能保持一定的弹性和屈服点，常用于弹簧和承受冲击的零件。

③高温回火。回火温度在500 ～650℃，使零件获得强度、硬度、塑性和韧性都良好的综合力学性能。

(5) 调质。淬火加高温回火称为调质。一些重要的零件，特别是一些在变应力下工作的零件，如连杆、齿轮和轴等常采用调质处理。

(6) 时效。时效可以减小或消除零件的内应力，使零件在后加工或工作之前得以充分的变形，零件尺寸可以稳定下来。时效分低温时效和高温时效。

①低温时效。将零件加热到100 ～150℃，保温5 ～20h 后，再空冷。

②高温时效。将零件加热到略低于高温回火的温度，保温后，缓冷到300℃以下，出炉空冷。

(7) 表面处理。对于一些要求表面有较高的硬度以增加其耐磨性，而心部要求有较高的韧性以提高其抗冲击能力的零件，可以采用表面处理工艺。表面处理包括表面淬火和化学处理。

①表面淬火。采用快速加热的方法，只将零件表面加热并淬火。它只改变表层组织，心部并不发生变化，心部保持了一定的韧性和强度，而表层得到强化和硬化。

表面淬火有高频感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

②化学处理。化学处理是把零件放入化学介质( 碳或氮等) 中加热、保温，使介质元素渗入零件表层中，使零件表层的化学组成和组织结构发生变化，来获得对其心部和表层不同性能要求的热处理方法。常用的方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗( 氰化) 等。

(二)铸铁

含碳量大于2.1%的铁碳合金称为铸铁。铸铁的使用量很大，仅次于钢。铸铁被大量使用，首先是因为生产成本低廉，其次是它具有优良的铸造性能，铸铁的熔点较低，具有良好的易熔性和液态流动性，因而可以铸成形状复杂的大小零件。它的硬度和抗压强度与钢差不多，并且有优异的消振性能和良好的耐磨性能，这是钢所不能及的，但铸铁的疲劳强度和塑性比钢差得较多，而且较脆，不能承受较大的冲击载荷，不适于锻压和焊接。

铸铁有以下几种:

1.灰铸铁灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，耐磨性好，消振能力最为突出，但抗拉强度低。灰铸铁的牌号由字母HT 和数字表示，HT 为“灰铁”汉语拼音的首位字母，后面的数字代表其最低抗拉强度，如HT150、HT300 等。

2.球墨铸铁球墨铸铁的强度和塑性比灰铸铁有很大的提高，具有良好的耐磨性，但铸造性较差。球墨铸铁的牌号由字母QT 和数字表示，QT 为“球铁”汉语拼音的首字字母，后面的第一组数字代表最低抗拉强度，第二组数字代表最低延伸率，如QT400-18、QT500-7 等。

3.可锻铸铁可锻铸铁的强度、塑性、韧性、耐磨性均较高，能承受冲击振动，但生产周期长，成本较高，铸造大尺寸零件较困难。可锻铸铁的牌号由字母KT 和数字表示，KT 为“可铁”汉语拼音的首字字母，H 表示黑心，Z 表示珠光体，B 表示白心，后面的第一组数字代表最低抗拉强度，第二组数字代表最低延伸率，如KTH300-06、KTZ550-04、KTB380-12 等。

(三)有色金属

有色金属及其合金由于各具某些特殊的性能，在纺织机械中应用的种类很多。机械零件中常用的有铜合金、铝合金等。

1.铜及铜合金纯铜由于其力学性能很差，在纺织机械中应用并不多，主要应用在导电材料中。纺织机械中应用的主要是铜合金。铜合金有一定的强度和硬度，导电、导热性能优异，减摩、耐磨、抗腐蚀性能良好。

铜合金按主加金属元素的不同，又分为黄铜和青铜:

①黄铜以锌( Zn) 为主加元素，同时含有少量的锰( Mn)、铝( Al) 和铅( Pb) 。黄铜塑性和铸造流动性好，有一定的耐腐蚀能力，但强度和耐磨性不高。

②青铜以主加元素的不同又可分为锡青铜和铝青铜等。青铜比黄铜有更高的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性。在纺织机械中，常用青铜与钢组成摩擦配对材料。

2.铝及铝合金铝及铝合金的使用量仅次于钢铁，在纺织机械中的高速运动构件中使用较多。主要是因为铝合金的密度只有钢材的1/3，但它的比强度和比刚度与钢接近甚至超过钢，在承受同样大的载荷时，铝合金零件的质量要比钢零件轻得多，高速运动时惯性较小。其次，铝合金具有良好的导热、导电性能，其导电性能大约为铜的60%。

金属材料的分类及热处理优化方案

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