金属材料课程设计修改版.doc

洛阳理工学院机电设计
摘 要

铜与锌组成的合金称为简单黄铜，在此基础上加入其他合金元素称为复杂黄铜；黄铜具有美丽的颜色、较高的力学性能、耐蚀、耐磨、易切削、低成本、良好工艺性能等，是应用最广泛的铜合金。铜合金在电器、电子、机械、车辆、化工、船舶、航空、工艺品等领域具有广泛应用，目前也是无线通信、IC卡、计算机、网络、电动汽车等新兴技术领域的重要材料。不同的铜合金具有不同的专业用途，H62是商业黄铜，通过对H62材料成分特点及性能特点，确定铜合金板带材的热处理工艺。本次主要讨论退火处理对Ｈ６２黄铜显微组织与力学性能的影响。

马氏体不锈钢具备高强度和耐蚀性，可以用来制造机器零件如蒸汽涡轮的叶片（1Cr13）、蒸汽装备的轴和拉杆（2Cr13），以及在腐蚀介质中工作的零件如活门、螺栓等（4Cr13）。碳含量较高的钢号（4Cr13、9Cr18）则适用于制造医疗器械、餐刀、测量用具、弹簧等。其中含碳量比较低的12Cr13. 20Cr13. 14Cr17Ni2对应的类似于结构钢中的调质钢。可以制造机械零件，如汽轮机叶片，叶轮等要求较高且具有抗弱腐蚀介质的零件。其中20Cr13钢是较常用的不锈钢，具有较高的热强性，抗氧化性，良好的减震性。在弱腐蚀介质中具有较好的耐蚀性。热处理后具有较高的性能。常用来制作450℃以下的机械零件和常温以下使用的化工及食品工业容器。例如，传动件，固定销，拉杆，汽轮机叶片，阀座，阀板，模具等。传统的热处理调质工艺是高温加热，油淬，然后回火。

关键词：退火工艺，H62黄铜，硬度，缺陷，金相显微组织
2Cr13，汽轮机叶片，调质

前　言 3
第1章金属材料分析 4
1.1 H62黄铜的材料分析 4
1.2 H62黄铜的材料分析 4
第2章 H62黄铜热处理工艺的设计 5
2.1工艺方法选择和工艺路线的确定 5
2.1.1方案 5
2.2制定热处理工序的工艺参数 5
2.2.1加热方法与冷却方式 5
2.2.2热处理后检验方法 5
2.2.3热处理工艺曲线 5
第3章H62退火前后组织观察 7
3.1 H62黄铜退火前后分析 7
3.1.1H62黄铜退火前后组织…………………………………...7
3.1.2 H62黄铜退火前后组织图…………………………… …..8
3.1.3 退火前后组织变化分析…………………………………….. 8
3.2退火前后组织变化分析 9
第4章 2Cr13钢热处理工艺的设计 10
4.1 工作环境 10
4.2 性能要求 10
4.3 选材 10
4.4 2Cr13钢的性能 11
4.5 工艺方法选择和工艺路线的确定 11
4.6 工艺参数 12
4.7 工序说明 15
4.8 常见热处理缺陷 15
结　论 17
课程设计总结 18
参考文献 19

前　言

铜和铜合金是古老而永远年轻的有色金属。它伴随着中华民族历尽了近五千年的历史沧桑。随着社会和科学技术的进步和发展，铜和铜合金加工技术也由半机械化向机械化和自动化发展。20世纪80年代，在铜合金加工理论取得很多新成果的同时，新工艺、新技术和新产品也相继出现。我国铜合金加工产业发展迅速，铜合金材料加工产量居世界首位。铜合金材料的加工技术是控制和改善材料形状、组织、性能及尺寸的主要手段。加工技术的发展和进步，对铜合金新材料的开发研究、应用有着决定性的作用，同时，对改善和提高传统材料的生产和使用性能也具有重要的意义。
通过对汽轮机叶片的工作条件及性能要求分析，根据要求选用适当的材料，通过对2Cr13钢的材料成分特点及性能特点，确定汽轮机叶片的热处理工艺。首先，分析零件的使用工况及性能，根据要求选用材料；然后，确定加工工艺流程，针对流程中的具体热处理工艺查看热处理手册查找钢种的方法、参数等做出设计。最后，根据钢种设计写出总结。汽轮机叶片在高温高压下工作，而2Cr13钢在淬火状态下硬度高，耐蚀性良好。常用作汽轮机叶片。
2Cr13钢机械加工性能好，经热处理后具有优良的耐磨性能，较好的强韧性，适宜制造承受高负荷并在腐蚀介质作用下的模具。经调质后有比较优良的综合力学性能。但2Cr13钢需经过正确的热处理工艺才能达到比较好的性能以使用。而热处理无疑是摆在前面的一道难题。通过对经典2Cr13钢热处理工艺的分析，更加明确在热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度，时间，保温时间，冷却方式。其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到发挥。

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第1章 金属材料分析

1.1 H62黄铜的材料分析

H62黄铜的主要化学成分为Cu含量为61.5%左右，Zn含量为38.2%左右，余为杂质。含36%~46%Ｚｎ的合金为双相组织。α相为锌溶解在铜中的固溶体,具有良好的力学性能和冷热加工性，β相为电子化合物，具有体心立方结构。与纯铜相比"黄铜不但具有铜及铜合金的一般特性"还具有优于纯铜的力学性能以及价格和色泽美的优势使之成为了应用最广泛最经济的铜合金。退火有可以使之降低硬度改善切削加工性，本次主要进行退火处理。

1.2 H62黄铜的热处理类型介绍

因为铜无同素异构转变，所以普通黄铜的强化不能通过热处理实现。黄铜的主要热处理是低温退火和再结晶退火。去应力退火可消除黄铜在压力加工、焊接和铸造过程中产生的内应力，稳定尺寸和性能，防止切削过程中产生变形；防止应力腐蚀开裂；提高工件的弹性稳定性。查表2-1和表2-2可知H62黄铜的去应力退火温度和中间退火温度。H62黄铜的去应力退火温度为260~300℃，保温1~3h。
再结晶退火包括冷加工工序间的中间退火及成品的最终退火。目的是消除冷变形强化和恢复塑性，为下道冷加工工序做准备。工件有效厚度>5mm，所以H62黄铜试样的中间退火温度为650~700℃，保温1~2h后，根据要求可选择空冷或水冷。

第2章 H62黄铜热处理工艺的设计

2.1 工艺方法选择和工艺路线的确定

2.1.1 方案
查阅资料可知对于H62铜合金来说，在各种机加工工序间最好采用退火处理，去应力退火可以消除残余内应力，再结晶退火可以使材料通过再结晶而恢复塑性，降低硬度，得到良好的综合力学性能。

2.2. 制定热处理工序的工艺参数
查阅材料结果表明:在600～750℃退火温度范围内,H62黄铜出炉后直接空冷得到的显微组织均为α+β相,且随着退火加热温度的升高,显微组织中的β相逐渐增多,材料的硬度和抗拉强度逐渐高,且抗拉强度均高于技术要求;H62黄铜经650℃退火保温后先随炉缓冷至500℃再出炉空冷可得到单一均匀的α相组织,材料的硬度和抗拉强度均最低,且抗拉强度满足技术要求。故制定Ｈ６２的再结晶退火温度为６６０℃

工艺参数 再结晶退火：650~700°C×1~2h,空冷

2.2.1 加热方法与冷却方式
采用箱式电阻炉，装炉温度≤300°C，加热时间≥60 min
空冷可以缓慢均匀降温，可以获得更好的力学性能。

2.2.2热处理后检验方法
用电动布洛维硬度计来测试其洛氏硬度

2.2.3热处理工艺曲线

T/℃

再结晶退火650~700℃

1~2h

时间/h
图2.2.3 H62黄铜热处理工艺曲线

２.３工序说明

　H62黄铜在各退火温度保温后直接出炉空冷得到的显微组织均为α+β相,且随着退火加温度的升高,β相由从α相弥散析出逐渐转变为网状析出,β相所占体积分数也逐步增加,并逐渐向孪晶转变。根据铜锌二元合金相图,α相为锌溶解在铜中的固溶体,高于500℃时锌在铜中的溶解度随温度的下降而增加,低于500℃时锌在铜中的溶解度随温度的下降而降低,本次采用的再结晶退火的目的用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50～150℃，只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化。

8
第3章 Ｈ６２退火前后组织观察

3.1 Ｈ６２黄铜退火前后分析

3.1.1 Ｈ６２黄铜退火前后组织

表3-1 退火前后平均硬度
　　　　状态
　　　退火前
　　　退火后
　　硬度（ＨＲＢ）
　　９６.６
　　　９３.６

3.1.2 Ｈ６２黄铜退火前后组织图

图3-1 Ｈ６２黄铜退火前组织图

图3-2 Ｈ６２黄铜退火后组织图

3.1.3 退火前后组织变化分析
H62黄铜轧制过程中的中间退火，目的是消除材料的加工硬化,降低材料的强度和硬度，便于后续加工。硬脆的β相是制约Ｈ６２黄铜冷加工率的主要因素，因此退火处理后β相越少越好。上述实验证明，合金的化学成分和退火处理工艺都会影响材料中的β相含量。因而在生产中应采取以下措施：

１. 将合金中的锌含量控制在小于３７％

　　２.采用较低的退火温度和较短的退火时间。
3.2 铜合金常见热处理缺陷

表３.２铜合金热处理特殊缺陷及防治补救方法
缺陷名称
缺陷特征
形成原因
防止及补救措施

黑斑点
表面出现黑色的碳化物斑点
退火前表面清理不净，有残留润滑剂、油脂或其他脏物
热处理前应彻底清洗和干燥

黄铜脱锌

表面出现白灰，酸洗后呈麻面
温度过高，产生锌的发挥；不适当的使用高空度处理高锌黄铜
降低退火温度，采用保护性气氛，真空处理时用低真空度

纯铜氢脆

拉伸试验时产生脆断，金相检验时可见到晶界裂纹
含氧纯铜在氢气或含有氢气的还原气氛中热处理，氢还原氧化亚铜产生高压水蒸气造成晶间破裂
含氧纯铜应在中性或弱氧化性气氛下热处理。不应在氢气或含氢气的还原性介质中处理

铍青铜光亮淬火 失色

表面氧化，有斑点，色彩不均，无光
氨含水分高，氨分解不充分或流量过小，淬火转移时间太长
氨气应用于干燥剂脱水，氨的分解率不应低于99%，使用流量计，定量供应，快速淬火

粘连

纯铜片料退火时粘连到一起
清洗不彻底，表面有油污、润滑剂；装料不当，压得太紧，温度过高
退火前应彻底清理、干燥、装料时要松动；控制退火温度不要过高

　　　第4章2Cr13钢热处理工艺的设计

4.1 工作环境
汽轮机叶片受高温 高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，高速运转 中的动叶片还要承受很高的离心力;处于湿燕汽区的 叶片，特别是末级，要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀.动 叶片还要承受很复杂的激振力
4.2 性能要求

(1) 有足够的室温、高温力学性能和抗蠕变性能，
(2) 有高的抗振动衰减能力;
(3) 高的组织稳定性;
(4) 良好的耐腐蚀和抗冲蚀能力;
(5) 良好的工艺性能.
4.３　选材
叶片材料应用12Crl3、20Cr13等及以此为基含有 Mo、W、Nb、B、Ni等强化元素的12%一13%Cr钢， 有良好的抗振性能和抗腐蚀性能，成为汽轮机叶片的 主要材料。
表4-3 2Cr13钢的元素成分

元素
C
Si:
Mn
S
P
Cr
Ni
含量
0.16~0.25
≤1.00
≤1.00
≤0.030
≤0.035
12.00~14.00
允许含有≤0.60
４.４　2Cr13钢的性能
为了了解2Cr13钢的性能我们查热处理手册得到的标准性能如下：
按照GB/T 1220-1992标准规定的2Cr13钢推荐热处理制度为。
退火,800~900℃缓冷或约750℃快冷;淬火,920~980℃油 冷;回火,600~750℃快冷。金相组织:组织特征为马氏体型。
而标准规定的抗拉强度 σb (MPa):淬火回火,≥635;条件屈服强度 σ0.2 (MPa):淬火;回火,≥440;伸长率 δ5 (%):淬火回火,≥20;断面收缩率 ψ (%):淬火回火,≥50;冲击功 Akv (J):淬火回火,≥63;硬度 :退火,≤223HB;淬火回火,≥192HB所以需要我们根据2Cr13钢的标准规定根据要求进行热处理。
2Cr13钢的物理性能示于下列表中，其熔点为1450~1510℃；密度为7075t/m3；质量定压热容Cp为459.8j(kg·K)。

表４－４ 2Cr13钢的临界温度
临界点
Ac1
Ac3
Ar1
温度（近似值）/℃
820
950
780
４.５　工艺方法选择和工艺路线的确定

方案：2Cr13常用调质处理以获得综合的力学性能。2Cr13钢在高温加热时可获得全奥氏体，所以淬火后的可获得板条马氏体组织和少量的残留奥氏体。淬火后应及时回火。
４.６工艺参数

表4-6 钢件工艺参数

序号
工序内容
设 备
装炉温度
（℃）
加热温度
（℃）
加热时间
（min）
保温时间
（min）
出炉温度
（℃）
冷却
介质
温度（℃）
1
淬火加热
箱式炉
≤300
950
＞60
（1.4－1.8）D
950

2
冷却
油槽
油槽

机油
室温
3
抽查硬度
硬度计

4
回火加热

≤300
600~750
＞20
（2－2.5）D

5
冷却

空冷
室温
6
检查硬度
硬度计

4.６.１制订热处理工序的工艺参数

（1）淬火加热温度的确定
对于合金钢来说淬火加热温度也应根据其临界点温度来选择。但考虑到合金元素的影响，为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化，一般应选定为Ac3（或Ac1）+（50~100°C）。一般2Cr13的淬火温度在Ac3附近950℃，取950℃加热油淬时硬度要明显低于1050℃加热油淬，950℃油淬后硬度为45~50HRC，1050℃油淬后硬度要高2HRC。但1050℃淬火后得到的组织晶粒较粗，脆性大。所以采用950°C淬火温度。
（2）加热方法
采用SX—25—14箱式电阻炉，装炉温度≤300°C，加热时间≥60 min
（3）淬火保温时间及冷却方式
根据保温时间经验公式（1.4－1.8）D，可以确定保温时间。
采用油淬可以避免冷速过快导致工件的变形与开裂。并冷却到室温。
（4）回火加热温度的确定
淬火后回火就是消除残余应力和增强钢的韧性。淬火后的马氏体和残余奥氏体是不稳定的组织，通过回火处理后的马氏体组织转变为回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体组织，这与回火温度的高低和回火时间关系很大。因为Cr的抗回火性和Ac1的提高，所以调质处理的回火温度也可相应的提高。通常2Cr13的回火温度为600~750°C区间回火
（5）加热方法
采用SX—25—14箱式电阻炉，装炉温度≤300°C，加热时间≥20 min
（6）回火保温时间及冷却方式
根据保温时间经验公式（2－2.5）D，可以确定保温时间。由于试样直径比较小，保温时间0.4~1h已经足够。
为了避免600°C以上高温回火后产生脆性，均采用回火后快冷（即水冷）方式。
综上所述，试样的热处理工艺为：950°C 淬火，保温10min：油淬；600~750°C回火2h，水冷

℃
950±14℃

油淬 600~750℃
300℃ (1.4－1.8)D 300℃ （2－2.5)D 空冷
时间
淬火 回火
图4-6 热处理工艺曲线如图

表4-6-1 实验数据记录
淬火前硬度平均值HRc
淬火后硬度平均值HRc
回火后硬度平均值HRc
50.4
74
63.3

图4-1   500X 图4-2 500X

材        料：2Cr13
工艺情况：调质处理
浸蚀方法：三氯化铁盐酸水溶液浸蚀
组织说明：图1：回火索氏体、少量未溶铁素体和少量碳化物颗粒。
2Cr13钢的Ac1为820℃，Ac3为950℃，正常的淬火温度应为980～1000℃。由于淬火温度偏低，晶粒过于细小，碳化物溶解不充分，合金元素均匀化不够，从而会降低钢的耐腐蚀性能和耐热性能。
图2：带马氏体位向的均匀回火索氏体，属正常的调质组织。
2Cr13钢淬火后通常采用600~750℃高温回火，而不采用中温回火。因为中温回火时，生成(Cr,Fe)7C3碳化物，碳化物的周围形成贫铬区。中温回火的温度不足以使基体富铬区的铬向贫铬区扩散，使腐蚀性能明显降低；而高温回火形成M23C6碳化物，其周围的贫铬区容易通过高温回火的扩散而得到消除，同时高温回火也可以获得良好的综合力学性能。

４.７工序说明
淬火：目的在于 提高工件的硬度和耐磨性， 赋予工件以需要的综合机械性能. 2Cr13钢在Ac1以上Ac3（约900℃）以下加热，其组织为奥氏体+铁素体+含铬碳化物（γ+α+（Cr.Fe）23C6）奥氏体相对量随加热温度的升高而增加，铁素体量则不断减少，淬火后马氏体量增加，所以强度，硬度都随淬火加热温度的升高而提高。
回火：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。回火后得到回火索氏体组织，有较高的弹性极限，又有较高的塑性和韧性。2Cr13钢在600~750℃温度范围内回火所得到的是典型的回火屈氏体组织，其组织特征是铁素体基体内分布着细小的粒状碳化物。

4.８常见热处理缺陷

1) 淬火裂纹 壁厚不均匀和有尖角的工件，淬火时易变形开裂， 影响淬裂的因素很多，淬火温度不当引起零件淬裂，淬火时由于冷却不当，也会使零件产生淬裂事故，在本次试验中工件表面出现了宏观裂纹，经分析可能的原因，由于保温时间过长导致出现过烧现象，导致工件出现裂纹。
2) 过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。防止过热的主要措施是严格控制加热温度和加热时间。
3) 纵向裂缝：沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝。
横向裂缝：常发生于大型轴类零件上。
4) 表面裂缝：这是分布在工件表面的深度较小的裂缝。
综上：在本次试验中工件表面出现了宏观裂纹，经分析可能的原因，由于保温时间过长导致出现过烧现象，导致工件出现裂纹。工件过烧无法补救只能报废。但可以通过严格控制加热温度和加热时间来防止出现过烧现象。

结　论

（1） 在600~750°C退火温度范围内，H62黄铜出炉后直接空冷得到的显微组织均为α+β相，只随着退火温度的升高，显微组织中β相的含量逐渐增加，材料的硬度和抗拉强度逐渐升高，且抗拉强度满足技术要求。
（2） H62黄铜经660°C保温后先炉冷至500°C再出炉空冷，可得到单一均匀的α相组织，其硬度和抗拉强度均最低，且抗拉强度满足技术要求。
（3）通过实验结果研究分析知道2Cr13钢在淬火后随着回火温度的增加，其硬度相应的也会增加。并会在500~510°C时硬度达到最大值。当温度进一步提高时，硬度会逐渐降低。主要是因为在500~540°C区间内存在回火脆性，而在600~750°C区间内回火则会避免回火脆性区，回火韧性会随温度的提高有所上升。

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洛阳理工学院机电设计
收 获

这次热处理工艺课程设计使我们获得综合运用所学本理论、基本知识、基本技能，独立分析和解决实际问题的能力。培养严肃、认真、科学的工作作风和勇于进取开拓的精神。
首先，增加了不少的专业知识，更重要的是这次课程设计让我更加学会如何将学的理论知识应用于实践，平时上课时间紧，所学内容很多是用于考试，在这次课程设计过程中有很多知识学过，但一用到实践就感觉到很不熟悉，于是就不断查课本，上网查资料。熟悉专业知识的同时，也学会了运用。其次，作为小组成员的我更加学会了如何去安排时间，安排工作。更加学会了如何去协调，团结合作，增强了自己的团队精神。最后，大大提升了自己解决问题的能力，从接手这个课程设计题目，到分析，提出自己的方案都不是那么容易的，而且在实行过程中还会不断出现新问题，遇到问题，可以找老师，找同学，上网查资料，我觉得大家一起讨论更是一种好方法。
通过课程设计使我懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献

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热处理工艺卡
产品型号

零（部）件图号

产品名称
Ｈ６２
零（部）件名称

简图：
T
650~700°C
空冷

1~2h

t
材料牌号

零件重量

工艺路线
２００°C加热到６６０°C保温９０分，然后空冷
技术条件
检验方法
硬化层深度
４.２ｍｍ
硬度计显示
硬度
９３．６
ＨＢＲＶ－１８７硬度计测量
金相组织
α+β
金相显微镜观察
力学性能
强度高，塑性较好
退火前后硬度对比
允许变形量

工序号
工序名称
设备
装炉方式及数量
装炉
温度℃
加热
温度℃
加热时间min
保温时间min
冷却
工时
（min）
介质
温度℃
时间min
1

再结晶退火
SX-15-10箱式电阻炉
2
200
660
90
90
空冷
28
60

2

3

4

5

编制人
刘苑沙
编制日期
2005.7.2
审核日期