钢的热处理.ppt
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钢的热处理.ppt
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工程材料与热加工基础第五讲钢的热处理,概述钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理,概述,1.热处理的定义:
时间,Tc,2.热处理的主要目的:
改变钢的性能。
3.热处理的应用范围:
整个制造业。
4.热处理的分类,热处理,普通热处理:
表面热处理:
退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化学热处理,感应加热淬火,火焰加热淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,特殊热处理:
钢在加热时的组织转变,1、转变温度2、奥氏体的形成3、奥氏体晶粒度及对力学性能的影响,1.转变温度,平衡转变非平衡转变过热:
过冷:
临界点:
2、奥氏体的形成,A,A形核,A长大,残余Fe3C溶解,A均匀化,3、A晶粒度及对力学性能的影响,一)奥氏体晶粒度:
1.起始晶粒度:
珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。
2.实际晶粒度:
热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。
3.本质晶粒度:
度量钢本身晶粒在930以下,随温度升高,晶粒长大的程度。
钢的本质晶粒度示意图,晶粒度的测定方法:
93010保温38小时(100),影响奥氏体晶粒长大的因素,1.加热温度加热温度愈高,晶粒长大速度越快,奥氏体晶粒也越粗大,热处理时必须规定合适的加热温度范围。
2.保温时间随保温时间的延长,晶粒不断长大,但随保温时间的延长,晶粒长大速度越来越慢,且不会无限制地长大下去。
3.加热速度加热速度越快,奥氏体化的实际温度愈高,奥氏体的形核率大于长大速度,获得细小的起始晶粒。
生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。
4.冶炼和脱氧条件冶炼时用铝脱氧,使之形成AlN微粒;或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素,形成难溶的碳化物颗粒。
第二相微粒能阻止奥氏体晶粒长大,在一定温度下晶粒不易长大;只有当超过一定温度时,第二相微粒溶入奥氏体后,奥氏体才突然长大。
影响奥氏体晶粒长大的因素,5.含碳量的影响(有临界值)随着奥氏体含碳量的增加,Fe、C原子的扩散速度增大,奥氏体晶粒长大的倾向增加。
当超过奥氏体饱和碳浓度以后,由于出现了残余渗碳体,产生机械阻碍作用,使晶粒长大倾向减小。
6.原始组织的影响原始组织越细小,碳化物弥散度越大,起始A晶粒越细小。
影响奥氏体晶粒长大的因素,A晶粒大小对钢的力学性能的影响,1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。
2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。
晶粒度的控制Al脱氧(本质细)Si/Mn脱氧(本质粗),钢在冷却时的组织转变,钢在热处理时的冷却方式过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变,一.钢在热处理时的两种冷却方式,二.过冷奥氏体的等温冷却转变,一)建立共析钢过冷奥氏体等温冷却转变曲线-TTT曲线(C曲线),T-timeT-temperatureT-transformation,共析碳钢TTT曲线建立过程示意图,A1,二)共析碳钢TTT曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A产物转变开始线,A产物转变终止线,A+产物区,产物区,A1550;高温转变区;扩散型转变;P转变区。
550230;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;,230-50;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。
三)转变产物的组织与性能,1.珠光体型(P)转变(A1550):
A1650:
P;525HRC;片间距为0.60.7m(500)。
650600:
细片状P=索氏体(S);片间距为0.20.4m(1000);2536HRC。
600550:
极细片状P=屈氏体(T);片间距为0.2m(电镜);3540HRC。
珠光体转变:
Fe、C的扩散性相变,珠光体形貌像,索氏体形貌像,屈氏体形貌像,三)转变产物的组织与性能,2.贝氏体型(B)转变(550230):
550350:
B上;4045HRC;,组织形状决定性能,对比:
下贝氏体好。
上贝氏体组织金相图,350230:
B下;5060HRC;,贝氏体转变为只有C半扩散相变,下贝氏体组织金相图,三)转变产物的组织与性能,3.马氏体型(M)转变(230-50):
1)定义:
马氏体是一种碳在Fe中的过饱和固溶体。
只有晶格改组,2)转变特点:
在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。
转变不完全性,QM=f(T),奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响,奥氏体含碳量对残余奥氏体数量的影响,3)马氏体的晶体结构:
由于碳的过饱和作用,使Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。
c/a:
正方度,4)马氏体的组织形态:
板条状-低碳马氏体(0.2%C);3050HRC;=917%。
低碳板条状马氏体组织金相图,4)马氏体的组织形态:
针、片状-高碳马氏体(1%C);66HRC左右;1%。
高碳针片状马氏体组织金相图,5)马氏体的性能:
主要取决于马氏体中的碳浓度。
说明:
亚共析钢的C曲线,P+F,S+F,T,B,M+A残,说明:
过共析钢的C曲线,P+Fe3C,S+Fe3C,T,B,M+A残,四)影响C曲线形状与位置的因素,1.奥氏体中含碳量的影响:
最稳定,2.奥氏体中含合金元素的影响:
除Co、(Al2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:
碳化物形成元素(Cr、Mo、W、V)导致双C曲线,3.加热温度和保温时间的影响:
加热温度越高,保温时间越长,碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体的稳定性,从而使TTT曲线向右移。
晶粒粗大。
三.过冷奥氏体的连续冷却转变,一)建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线-CCT曲线,C-continuousC-coolingT-transformation只有P、M转变,一)共析碳钢CCT曲线建立过程示意图,Pf,Ps,A+P,K,Ms,Mf,二)共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较,孕育期不同过冷度不同转变产物不同实际生产中的应用,三)在连续冷却过程中TTT曲线的应用,V1=5.5/s:
炉冷;P,V2=20/s:
空冷;S,V3=33/s:
油冷;T+M+A残,V4138/s:
水冷;M+A残,临界冷却速度,钢的普通热处理工艺,预备热处理:
退火;正火,最终热处理:
淬火;回火,一般零件生产的工艺路线:
一.钢的退火,一)定义:
把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后随炉冷却。
二)目的:
消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。
三)种类(加热区间),退火,重结晶退火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火(无相变),去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化退火,等温球化退火,完全退火:
亚共析钢Ac3+30-50,缓冷到600时空冷,得到F+P;等温退火:
同完全退火,可节省时间;球化退火:
过共析钢Ac1+20-30,消除网状碳化物,使之成为球状。
去应力退火:
500-650炉冷至200后空冷,消除应力。
均匀化退火:
Ac3+150-200,获得均匀组织晶粒粗大,四)工艺参数:
四)工艺参数:
五)热处理后的组织:
共析钢球化退火组织(化染)700,T10钢球化退火组织(化染)500,二.钢的正火,一)定义:
把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后在空气中冷却。
二)目的:
细化晶粒;调整硬度;均匀成分;消除应力与网状渗碳体;为最终热处理作好组织准备。
三)工艺参数:
四)工艺参数:
四)热处理后的组织:
S(Wc=0.61.4%)S+F(Wc0.6%),五)应用范围:
1.预备热处理:
调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3C。
2.最终热处理:
用于力学性能要求不高的普通零件。
与退火区别:
正火周期短、能耗少、形状可能影响开裂。
三.钢的淬火:
一)定义:
把零件加温到临界温度以上3050,保温一段时间,然后快速冷却(水冷等)。
二)目的:
为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。
碳钢:
水冷,得:
M细小+A残合金钢:
油或空冷,得:
M+Fe3C+A残,三)工艺参数:
三)工艺参数:
四)热处理后的组织:
M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M+A残,Ac1+3050,共析钢,M+A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,五)淬火加热时间()的选择:
=KD,六)淬火冷却介质,1.理想淬火工艺,冷却介质及淬火速度,2.常用的淬火冷却介质,七)常用的淬火工艺,淬火方法,单液淬火:
直冷,简单易操作双液淬火:
先快后慢,降低应力分级淬火:
快-恒-快,应力极低等温淬火:
得到B下工模具、弹簧局部淬火:
量具等的局部区域冷处理:
-70-80,降低A残%,稳定尺寸,补充:
局部淬火方法,八)钢的淬硬性(Hardeningofsteel),1.定义:
是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。
2.影响钢的淬硬性的因素:
主要取决于马氏体的含碳量。
九)钢的淬透性(Hardenabilityofsteel),1.定义:
是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。
2.影响钢的淬透性的因素:
主要是临界淬火冷却速度VK的大小,VK越大,钢的淬透性越小。
合金元素使C曲线右移,降低vk,提高钢的淬透性。
是影响淬透性的最主要因素。
含碳量碳钢中的含碳量愈接近共析成分,其C曲线愈靠右。
vk愈小,淬透性越好。
奥氏体化温度提高奥氏体化温度,将使奥氏体晶粒长大,成分均匀化,从而减少珠光体的形核率,降低钢的vk,增大其淬透性。
钢中未溶第二相碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物,可成为奥氏体分解的非自发核心,使vk增大,降低淬透性。
影响淬透性的因素(vK),工件淬硬层与冷却速度的关系,3.淬硬性与淬透性之间的关系:
4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,淬透性的测定(临界直径测定法),临界直径测定法:
钢材在某种介质中淬冷后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径,以D0表示。
临界直径测定法就是制作一系列直径不同的圆棒,淬火后分别测定各试样截面上沿直径分布的硬度U曲线,从中找出中心恰为半马氏体组织的圆棒,该圆棒直径即为临界直径。
临界直径越大,表明钢的淬透性越高。
部分常用钢材的临界淬透直径,四.钢的回火(淬火后必须回火),一)定义:
把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。
二)目的:
消除淬火应力,防止工件开裂;降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。
三)回火脆性:
在250350和500650钢的冲击韧性明显下降的现象。
回火的分类及应用,低温回火(150250)回火M(低过饱和F针-Fe2.4C)保证高硬度,用于工模具等HRC5862中温回火(350500)回火屈氏体,F针Fe3C极细粒状HRC3545,用于各种弹性元件高温回火(500650)回火索氏体,F多边形Fe3C细粒状HRC2535淬火+高温回火调质,淬火钢的回火转变,马氏体分解(100350)回火M(低过饱和-Fe2.4C)残余奥氏体的分解(200300)B下碳化物的转变(250400)-Fe2.4C转变为Fe3C渗碳体的聚集长大和相再结晶(400)成为粒状Fe3C,600后粗化,三)工艺参数,淬火+高温回火=调质处理,淬火+高温回火=调质处理,回火马氏体组织金相图,第五节钢的表面处理,表面淬火化学热处理例如:
汽车、拖拉机上的传动齿轮,其表面硬度要求为5862HRC,而心部硬度则要求为3338HRC;精密镗床主轴,要求其与滑动轴承配合的表面硬度不低于900HV,而心部硬度为248286HBS。
工艺的核心:
使零件具有“表硬里韧”的力学性能。
一.表面淬火,一)定义:
是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。
二)工艺特征:
通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。
三)表面淬火用钢:
选用中碳或中碳低合金钢。
40、45、40Cr、40MnB等。
四)表面淬火加工的方法:
感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法等。
1.感应加热表面淬火,1)感应加热的基本原理:
*感应电流-涡流,*集肤效应,硬度分布,2)工艺要求:
*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。
*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。
3)生产特点:
工件淬火层容易控制;表面质量好,硬度高23HRC,脆性;变形小;不易氧化及脱碳;生产率高。
淬火温度高(Ac3+80150);表面疲劳强度高:
表面产生体积膨胀而形成压应力。
设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。
3)感应加热表面淬火的分类,高频701000KHz,常用200300KHz,淬硬深度为0.52mm。
中小模数齿轮、轴类零件等。
中频50010000Hz,常用25008000Hz,淬硬深度210mm,直径较大的轴类和较大模数的齿轮等。
工频50Hz,淬硬深度达1015mm。
直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。
超音频2040KHz,(音频20KHz),淬硬深度在2mm以上,适用于模数为36的齿轮及链轮、花键轴、凸轮等。
火焰加热表面淬火的基本方法,火焰加热表面淬火的特点:
常用氧-乙炔火焰对零件表面进行加热;设备简单,操作方便,成本低。
常用材料为中碳钢和中碳合金钢,如35、45、40Cr、65Mn等;还可用于灰铸铁、合金铸铁等铸铁件。
淬硬深度一般为26mm。
主要适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具及零件等。
缺点是加热不均,易造成工件表面过热,淬火质量不稳定。
激光加热表面淬火,能量密度104108W/cm2淬硬深度0.30.5mm形状复杂、盲孔等均可,二.化学热处理(ChemicalHeatTreatment),定义:
将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温,使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。
特点:
表层不仅有组织的变化,而且有成分的变化,故性能改变的幅度大。
其主要作用是强化和保护金属表面。
二)化学热处理的基本过程:
2.吸收:
活性原子被零件表面吸收和溶解。
3.扩散:
活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。
4.加热:
首先要将工件加热到一定温度使之有利于吸收渗入元素活性原子。
三)化学热处理进行的条件:
1.渗入元素的原子必须是活性原子,而且具有较大的扩散能力。
2.零件本身具有吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的溶解度或能与之化合,形成化合物。
四)化学热处理的种类:
渗碳;渗氮;碳氮共渗;渗硼;渗铝;渗硫;渗硅;渗铬等。
1.钢的渗碳(Carburizeofsteel),1)定义:
向钢的表面渗入碳原子的过程。
2)目的:
获得具有表硬里韧性能的零件。
3)用钢:
低碳钢和低碳合金钢。
4)方法:
气体、固体、液体渗碳。
适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低合金钢零件,如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油嘴偶件等。
气体渗碳法示意图,方法:
滴注式渗碳介质:
苯、醇、煤油等液体工艺:
将工件装在密封的渗碳炉中,加热到900950(常用930),向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体,在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛,在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应,生成活性碳原子。
优点:
生产率高,劳动条件好,渗碳过程容易控制,容易实现机械化、自动化,适用于大批量生产。
固体渗碳法示意图,5)工艺:
加热温度为900950;渗碳时间一般为39小时;,6)渗碳后的组织:
渗碳层的深度:
碳钢从表面到过渡区亚共析组织一半处的深度为渗碳层的深度;金钢从表面到过渡区亚共析组织终止处的深度作为渗碳层的深度。
渗碳层的组织,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始亚共析组织(F+P),7)渗碳后的热处理工艺,淬火,7)渗碳后的热处理工艺,7)渗碳后的热处理工艺,直接淬火法:
预冷至850880后直接淬入油中或水中,180200进行低温回火。
预冷目的:
减少淬火变形及开裂,使表层析出碳化物,降低奥氏体的含碳量,从而降低淬火后的残余奥氏体量,提高表层硬度。
特点:
操作简单、成本低,生产率高,但在高温下长期保温,奥氏体晶粒易长大,影响淬火后工件的性能,故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下;此外预冷过程中,二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出,对工件淬火后的性能不利。
用途:
大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。
7)渗碳后的热处理工艺,一次淬火法:
工件经渗碳空冷后,再重新加热至淬火温度(如830860)进行淬火,然后在180200回火。
这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化,使钢的性能得到提高。
用途适用于比较重要的零件,如高速柴油机齿轮等。
7)渗碳后的热处理工艺,二次淬火法渗碳空冷后,先加热到Ac3以上(一般为850900)油淬,使心部组织细化,消除表层网状渗碳体;然后再加热到Ac1以上(一般为750800)油淬,最后在180200进行回火。
二次淬火法使工件表层和心部组织被细化,从而获得较好的力学性能。
但工艺复杂,成本高;工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。
所以只适用于少数对性能要求特别高的工件。
8)热处理后的组织,低碳M回+F,M回+Cm+A残,低碳合金钢,F+P,M回+Fe3C+A残,低碳钢,9)常用的钢种:
15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。
20CrMnTi钢渗碳层组织(化染)320渗碳体(白色块状)+高碳M(兰色针状)+残余A(棕黄色),渗碳工件的一般工艺路线,锻造(问题)正火(目的)机械加工【可否与渗碳工艺倒置】渗碳(组织)淬火+低温回火精加工,渗碳工件的最终组织,淬火+低温回火:
针状回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体硬度为5864HRC,而心部则随钢的淬透性而定。
对于低碳钢如15、20钢,其心部组织为铁素体+珠光体,硬度相当于1015HRC;对于低碳合金钢如20CrMnTi,心部组织为回火低碳马氏体+铁素体,硬度为3545HRC。
渗碳工件的实际应用,设计技术条件:
渗碳层深度、表面硬度、心部硬度及不允许渗碳的部位等,不允许渗碳的部位:
可采用镀铜的方法来防止渗碳或多留加工余量。
2.钢的渗氮(Nitridationofsteel),1)定义:
向钢的表面渗入氮原子的过程。
2)目的:
提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳性质、耐蚀性及热硬性。
3)用钢:
中碳合金钢。
4)方法:
气体渗氮和离子渗氮。
气体氮化,渗氮件的性能表面强化和表面保护高硬度、高耐磨性合金氮化物层,10001100HV,而且在600650下保持不下降;疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力,疲劳极限提高达15%35%;高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物,使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定;变形很小这是由于渗氮温度低。
5)工艺:
加热温度500600(低温)保温时间0.30.5mm/2050h,6)热处理特点:
渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。
7)渗氮处理后的组织表层:
Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。
心部:
S回。
8)常用的钢种:
35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA(氮化王牌钢)等。
气体氮化,应用:
交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件,如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。
技术要求:
需选用含与N亲合力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢,如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。
气体氮化,技术要求:
应注明氮化层深度、表面硬度、氮化部位、心部硬度等,对于零件上不需渗氮的部位镀锡或镀铜保护,或增加加工余量、氮化后去除。
工艺路线:
锻造正火粗加工调质精加工去应力粗磨氮化精磨或研磨,38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650黄色区:
(Fe2-3N)+(Fe4N);红色区:
(Fe4N);蓝绿色区:
含氮索氏体+脉状氮化物;绿黄色区:
索氏体基体。
越王勾践剑,春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。
长55.7厘米,剑锷锋芒犀利,锋能割断头发。
离子渗氮,离子渗氮:
在低于一个大气压的渗氮气氛中,利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。
离子渗氮,工艺特点:
速度快、周期短。
38CrMoAlA要达到0.530.7mm深的渗层,1520h(气体渗氮法50h)。
质量高。
由于阴极溅射有抑制生成脆性层的作用,所以明显提高渗氮层的韧性和疲劳性质。
工件变形小。
阴极溅射效应使工件尺寸略有减小,可抵消氮化物形成引起的尺寸增大。
适用于处理精密零件和复杂零件,如38CrMoAlA钢制成的长9001000mm、外径27mm的螺杆,渗氮后其弯曲变形小于5m。
渗碳与渗氮的工艺特点,3.钢的碳氮共渗-氰化处理(Carbonitridingofsteel),1)定义:
向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。
2)目的:
获得具有表硬里韧性能的零件。
3)方法:
固体碳氮共渗,气体碳氮共渗,液体碳氮共渗,高温,中温,低温,4)工艺:
钢的加热缺陷,氧化:
加热时的氧化性气氛(如空气、气氛中O2、CO2、H2O等)氧化钢铁,在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。
脱碳:
加热过程中脱碳,即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。
过热:
加热温度比正常温度偏高,出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大,即晶粒变粗。
过烧:
加热温度太高,奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。
如果锻造一锻即裂,过烧的工件只能报废。
淬火冷却应力:
分类:
热/相变淬火冷却变形:
防治措施:
选材/工艺/结构设计淬火冷却开裂:
类型:
纵、横、孔内壁防治措施:
降低拉应力、均匀冷却措施如下:
热处理应力与变形开裂,一、零件外形要避免尖角或棱角,减少台阶,过热、开裂R0.6mm,二、零件外形尽量简单、壁后均匀,开孔、通孔,三、零件外形力求对称,减小变形或有规律,减小热处理变形,四、零件采用组合结构或镶拼结构,当结构复杂或要求不同的热处理方式时,三.其他表面处理工艺,化学镀镍电镀热喷涂热浸镀,热处理新工艺,强韧化处理无氧化加热形变热处理,
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