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ISO18265:2003、中国国家标准GB/T1172-1999、美国标准ASTME140-05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31.25kgf。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HB450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/T231.1－2002,GB/T231.2－2002。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HRC20~67，相当于HB225~650。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/T230.1－2009,GB/T230.2－2002，GB/T2303－2002。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/T4330.1－2009,GB/T4330.2－1999，GB/T4330.3－2002，GB/T4330.4－2009。4．金属肖氏硬度（HS）3金属肖氏硬度英文为shorescleros