热处理工艺和热处理后的硬度检测.pdf

热处理工艺和热处理后的硬度检测 热处理工艺和热处理后的硬度检测 热处理是把金属材料在固态范围内通过一定的加热 保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺 热处理分为整体 热处理和表面热处理 整体热处理 整体热处理 整体热处理是对工件整体加热 然后以适当的速度冷却 以改变其整体力学性能的金属热处理工艺 钢铁整体热处 理大致有退火 正火 淬火 回火 真空热处理和调质处理等基本工艺 A 退火 将金属或合金的材料或制件加热到相变或部分相变温度 保温一段时间 然后缓慢冷却的一种热处 理工艺 B 正火 将钢加热到完全相变以上的某一温度 保温一定的时间后 在空气中冷却的一种热处理工艺 C 淬火 将钢加热到相变或部分相变温度 保温一段时间后 快速冷却的一种热处理工艺 D 回火 将经过淬火的钢 重新加热到一定温度 相变温度以下 保温一段时间 然后进行冷却的一种热 处理工艺 E 调质处理 将钢件淬火 随之进行高温回火 这种复合的热处理工艺称为调质处理 F 真空热处理 又称为光亮淬火 真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术 与常规热 处理相比 真空热处理可实现无氧化 无脱碳 无渗碳 可去掉工件表面的磷屑 并有脱脂除气等作用 从而达到表面光亮净化的效果 表面热处理 表面热处理 表面热处理是只加热工件表层 以改变其表层力学性能的金属热处理工艺 表面热处理又可以分为两大类 一类是 表面 淬火回火 热处理 一类是化学热处理 A 表面淬火回火热处理 只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部 使用的热源须具有高的能量密度 即在单位面积的工件上给予较大的热能 使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温 表面热处理的主要方 法 有激光热处理 火焰淬火和感应加热热处理 常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰 感应电流 激光 和电子束等 B 化学热处理 是通过改变工件表层化学成分 组织和性能的金属热处理工艺 化学热处理与表面热处理不 同之处是后者改变了工件表层的化学成分 化学热处理是将工件放在含碳 氮或其它合金元素的介质 气 体 液体 固体 中加热 保温较长时间 从而使工件表层渗入碳 氮 硼和铬等元素 渗入元素后 有 时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火 化学热处理的主要方法有渗碳 渗氮 渗金属 复合渗等 化学热处理一般适用于低碳合金钢等材料 其他热处理 其他热处理 其他热处理还有 时效处理 分为自然时效和人工时效 形变热处理等等 热处理后工件的硬度检测 热处理后工件的硬度检测 工件经过热处理之后 往往需要对工件表面进行硬度检测 有时还需要对工件芯部进行硬度检测 1 整体热处理后的硬度检测 一般情况下 工件 包括其坯料 退火 正火后不作硬度检测 A 调质处理后的硬度检测 调质处理采用 淬火 高温回火 的复合热处理工艺 调质处理后 材料的强度 塑性和韧性都较好 具有 良好的综合机械性能 调质处理后材料的机械强度性能 可以通过测试表面硬度来近似得到 调质处理后 一般进行布氏硬度 HB 测试 B 淬火后的硬度检测 淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性 因而广泛用于各种工 模 量具及要求表面耐磨的零件 如齿轮 轧辊 渗碳零件等 通过淬火与不同温度的回火配合 可以大幅度提高金属的强度 韧性及疲劳强度 并可获得这些性能之间的配合 综合机械性能 以满足不同的使用要求 整体淬火后 工件表面硬度很深 有时会是整体硬度基本一致 一般进行洛氏硬度 HRC 测试 C 真空热处理后的硬度检测 真空热处理后 由于对整体硬度有要求 除了要对表面进行洛氏硬度 HRC 测试外 还应当对工件的芯部 进行硬度 HRC 抽样测试 需要将工件剖断 2 表面热处理后的硬度检测 A 表面淬火回火热处理 表面淬火回火热处理通常使用感应加热或火焰加热的方式进行 主要技术参数是表面硬度 局部硬度和有 效硬化层深度 表面硬度检测可采用洛氏硬度计 HR 进行检测 试验力 标尺 的选择与有效硬化层深度和工件表面硬 度有关 当工件的热处理硬化层厚度在 0 4 0 8mm 时 可采用 HRA 标尺 当硬化层厚度超过 0 8mm 时 可采用 HRC 标尺 维氏硬度计是检测热处理工件表面硬度的又一种重要手段 它可选用 0 5 100kg 的试验力 测试薄至 0 05mm 厚的表面硬化层 它的精度是最高的 可分辨出热处理工件表面硬度的微小差别 另外 如果对有效硬化层深度有要求的话 可以用维氏硬度计来进行检测 表面洛氏硬度计也是十分适于测试表面淬火工件硬度的 表面洛氏硬度计有六种标尺可以选择 可以测试 有效硬化深度超过 0 1mm 的各种表面硬化工件 尽管表面洛氏硬度计的精度没有维氏硬度计高 但是作为 热处理工厂质量管理和合格检查的检测手段 已经能够满足要求 况且它还具有操作简单 使用方便 价 格较低 测量迅速 可直接读取硬度值等特点 利用表面洛氏硬度计可对成批的表面热处理工件进行快速 无损的逐件检测 这一点对于金属加工和机械制造工厂具有重要意义 B 化学热处理 化学热处理后 工件表面具有高的硬度 耐磨性和接触疲劳强度 而工件的芯部又具有高的强韧性 化学 热处理工件的主要技术参数是硬化层深度和表面硬度 硬化层深度还是要用维氏硬度计来检测 检测从工件表面到硬度降到 50HRC 那一点的距离 这就是有效硬 化深度 化学热处理工件的表面硬度检测与表面淬火热处理工件的硬度检测相近 都可以用维氏硬度计 表面洛氏 硬度计或洛氏硬度计来检测 如果渗氮厚的厚度较薄 一般在不大于 0 7mm 的情况下 就不能再采用洛氏 硬度计了 C 局部热处理 零件如果局部硬度要求较高 可用感应加热等方式进行局部淬火热处理 这样的零件通常要在图纸上标出 局部淬火热处理的位置和局部硬度值 零件的硬度检测要在指定区域内进行 硬度检测仪器可采用洛氏硬 度计 测试 HRC 硬度值 如热处理硬化层较浅 可采用表面洛氏硬度计 测试 HRN 硬度值 几种表面硬度检测值的转换 几种表面硬度检测值的转换 维氏 洛氏和表面洛氏三种硬度值可以方便地进行相互换算 转换成标准 图纸或用户需要的硬度值 相应的换算 表在国际标准 ISO 18265 2003 中国国家标准 GB T 1172 1999 美国标准 ASTM E140 05 中都已给出 也可以从 其他的硬度换算表的技术资料中找到 硬度和硬度的检测 硬度和硬度的检测 固体对外界物体入侵的局部抵抗能力 是比较各种材料软硬的指标 试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边 缘上锉擦 由其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低 这种方法称为锉试法 但这种方法不太科学 用硬度试 验机来试验则比较准确 是现代试验硬度常用的方法 用硬度试验机测得的硬度值是衡量金属材料一项重要的性能指标 它既可理解为是材料抵抗弹性变形 塑性变形或 破坏的能力 也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力 硬度不是一个简单的物理概念 而是材料弹性 塑性 强度和韧性等力学性能的综合指标 硬度试验由于规定了不同的测试方法 所以有不同的硬度指标 各种硬度指标的力学含义不同 相互不能直接换算 但可通过试验加以对比 硬度指标分为 A 划痕硬度 主要用于比较不同矿物的软硬程度 方法是选一根一端硬一端软的棒 将被测材料沿棒划过 根 据出现划痕的位置确定被测材料的软硬 定性地说 硬物体划出的划痕长 软物体划出的划痕短 划痕硬度 主要有莫氏硬度 B 压入硬度 主要用于测试金属材料 方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料 以材料表面局部塑性 变形的大小比较被测材料的软硬 由于压头 载荷以及载荷持续时间的不同 压入硬度有多种 主要有布氏 硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 和显微硬度等几种 C 回跳硬度 主要用于金属材料 方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样 并以试样 在冲击过程中储存 继而释放 应变能的多少 通过小锤的回跳高度测定 确定材料的硬度 回跳硬度主要 有金属肖氏硬度 HS 2 几种硬度指标 几种硬度指标 金属硬度 Hardness 的代号为 H 常用的硬度指标有 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 金 属肖氏硬度 HS 里氏硬度 HL 等 1 布氏硬度 HB 生产中常用布氏硬度测定经退火 正火和调质得到的钢件 以及铸铁 有色金属 低合金结构钢等毛坯或半成 品的硬度值 布式硬度是以一定大小的试验载荷 将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面 保持规定时间 然后卸荷 测量被测表面压痕直径 试验载荷随着球直径不同而不同 从 3000 到 31 25 kgf 布式硬度值是载 荷除以压痕球形表面积所得的商 以HBS 压头为淬硬钢球 和HBW 压头为硬质合金球 来表示 单位为N kgf mm2 布式硬度上限值为HB650 不能高于此值 当HB 450 或者试样过小时 不能采用布氏硬度试验 而应改用洛氏硬度计量 由于进行布氏硬度测试时的压痕较大 测量值准 不适用成品和薄片 布氏硬度测试一般不归于无损检测 布式硬度的参照国家标准为 GB T 231 1 2002 GB T 231 2 2002 2 洛氏硬度 HR 洛式硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标 洛氏硬度可分为 HRA HRB HRC HRK 等九种 代号 HR 表示洛式硬度 代号 A B C D E F G H K 表示不同的标尺 A B C D E F G H K HRA 是采用顶角为 120 金刚石圆锥然后加压 588 4N 60kg 载荷 求得的硬度 用于硬度极高的材料 如 硬质合金等 HRB 是采用直径 1 5875mm 1 16 英寸 淬硬钢球然后加压 980 7N 100kg 载荷 求得的硬度 用于硬度 较低的材料 如退火钢 铸铁等 HRC 是采用和 A 标尺相同的压头 但加压为 1471N 150kg 载荷 求得的硬度 用于硬度很高的材料 如淬 火钢等 洛式硬度是以压痕的深度作为硬度值的 0 002mm 作为一个硬度值 他没有单位 因此习惯称洛式硬度为多少 度是不正确的 在生产中 HRC 的应用很广泛 HRC 适用范围为 HRC 20 67 相当于 HB 225 650 若硬度高于此范围则用洛 氏硬度 A 标尺 HRA 若硬度低于此范围则用洛氏硬度 B 标尺 HRB 当遇到材料较薄 试样较小 表面硬化层较浅或测试表面镀覆层时 就应当使用表面洛式硬度计测量材料的表 面洛式硬度 表面洛式硬度有 HR15N HR30N HR45N 以及 HR15T HR30T HR45T 六种 分别对应于 HRC 和 HRB N 标尺的压头同 A 标尺 为金刚石圆锥 加压分别 HR15N 为 147 1N 15kg HR30N 为 294 2N 30kg HR45N 为 441 3N 45kg T 标尺的压头同 B 标尺 为直径 1 5875mm 淬硬钢球 加压分别 HR15N 为 147 1N 15kg HR30N 为 294 2N 30kg HR45N 为 441 3N 45kg 洛氏硬度测试的压痕很小 测量有局部性 须测数点后求得平均值 适用成品和薄片 归于无损检测一类 在一定条件下 HB 与 HRC 可以查表互换 其心算公式可大概为 1HRC 1 10HB 洛氏硬度的参照国家标准为 GB T 230 1 2009 GB T 230 2 2002 GB T 2303 2002 3 维氏硬度 HV 维氏硬度 是采用相对面夹角为 136 的正四棱锥体金刚石压头 在 49 03 980 7N 5 100kg 试验力作用下 压入试样表面 保持规定时间后 卸除试验力 测量试样表面压痕对角线长度 来测定硬度值的 试验力除以 压痕表面积的商就是维氏硬度值 适维氏硬度用于较大工件和较深表面层的硬度测定 维氏硬度尚有小负荷维氏硬度和显微维氏硬度 小负荷维氏硬度试验负荷 1 961 49 03N 0 2 5kg 它适 用于较薄工件 工具表面或镀层的硬度测定 显微维氏硬度 试验负荷 1 961N 0 2kg 适用于金属箔 极 薄表面层的硬度测定 维氏硬度 可选用 0 01 100kg 的试验力 测试薄至 0 03mm 厚的表面硬化层 如果是同一个样品 采用不同 的载荷测量维氏硬度 测量的结果是一样的 所以 维氏硬度的精度是最高的 可分辨出工件表面硬度的微小 差别 另外 有效硬化层深度也要由维氏硬度计来检测 维氏硬度的参照国家标准为 GB T 4330 1 2009 GB T 4330 2 1999 GB T 4330 3 2002 GB T 4330 4 2009 4 金属肖氏硬度 HS 3 金属肖氏硬度英文为 shore scleroscope hardness scleroscope hardness 直译为回跳硬度 又因为该硬度试验 首先由英国人肖尔 Albert F Shore 提出 故又称为 shore scleroscope hardness 肖氏硬度 金属肖氏硬度简称为肖氏硬度 应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳 撞销是 一只具有尖端的小锥 尖端上常镶有金刚钻 用测得的撞销回跳的高度来表示硬度 肖氏硬度试验是一种动态力试验 与布 洛 维等静态力试验法相比 准确度稍差 受测试时的垂直性 试样 表面光洁度等因素的影响 数据的散布性较大 其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料 它对试样的厚 度和重量都有一定要求 不适于较薄和较小试样 肖氏硬度计一种轻便的手提式仪器 便于携带和现场测试 其结构简单 易于操作 测试效率高 特别适用于 冶金 重型机械行业中的中大型工件 例如大型构件 铸件 锻件 曲轴 轧辊 特大型齿轮 机床导轨等工 件 金属肖氏硬度的参照国家标准为 GB T 4341 2001 5 里氏硬度 HL 里氏硬度 是用规定的冲击体在弹力的作用下以一定的速度冲击试样的表面 用冲头在距工件表面 1mm 处的 回弹速度与冲击速度的比值乘以 1000 得到的数值就是里氏硬度测量值 里氏硬度计实际是肖氏硬度计的改进 他比肖氏硬度计有了很大的技术进步 里氏硬度计可以通过按键选择测试材料 硬度种类 测试方向和测试次数 可以实现六种硬度 HL HRB HRC HB NV 和 HS 之间的转换 由于里氏硬度计轻巧 可以手握在现场直接对工件进行各个方向的测试 所以非常适合在生产现场对大型工件 组件进行硬度检测 运用越来越广泛 里氏硬度测试方法还没有被国际上普遍接受 迄今为止没有被国际标准化组织 ISO 采纳 试验数据在国际 上缺乏来自第三方或国际组织方面的监督和复核 另外 里氏硬度测试要求试件有一定的质量和厚度 因此也 不适宜测试小工件 里氏硬度的参照国家标准为 GB T 17394 1998 6 莫氏硬度 莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准 1824 年由德国矿物学家莫斯 Frederich Mohs 首先提出 他应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕 习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度 滑石 talc 1 硬度最小 石膏 gypsum 2 方解石 calcite 3 萤石 fluorite 4 磷灰石 apatite 5 正长石 feldspar orthoclase periclase 6 石英 quartz 7 黄 玉 topaz 8 刚玉 corundum 9 金刚石 dia