金属材料淬火新工艺.doc

金属材料淬火新工艺在长期的生产实践和科学实验中，人们对金属内部组织状态变化规律的认识不断深入，特别是从60年代以来，透射电镜和电子衍射技术的应用，各种测试技术的不断完善，在研究马氏体形态、亚结构及其与力学性能的关系，获得不同形态及亚结构的马氏体的条件，第二相的形态、大小、数量及分布对力学性能影响等方面，都取得了很大的进展，建立在这些基础上的淬火新工艺也层出不穷。循环快速加热淬火 淬火、回火钢的强度与奥氏体晶粒大小有关，晶粒愈细，强度愈高，因而如何获得高于10级晶粒度的超细晶粒是提高钢的强度的重要途径之一。钢经过多次相变重结晶可使晶粒不断细化；提高加热速度，增多结晶中心也可使晶粒细化。循环快速加热淬火即为根据这个原理获得超细晶粒从而达到强化的新工艺。例如45钢，在815的铅浴中反复加热淬火4-5次，可使奥氏体晶粒由6级细化到1215级；又如20CrNi9Mo钢，用3000赫芝200千瓦中频感应加热装置以11/s的速度加热到760，然后水淬，使s由960MN/m2增加到1215MN/m2，气由1107MN/m2，增加到1274MN/m2，而延伸率保持不变，均为18%。高温淬火 这里高温系相对正常淬火加热温度而言，低碳钢和中碳钢若用较高的淬火温度，则可得到板条状马氏体，或增加板条马氏体的数量，从而获得良好的综合性能。 从奥氏体的含碳量与马氏体形态关系的实验证明，含碳量小于0.3的钢淬火所得的全为板条状马氏体。但是，普通低碳钢淬透性极差，若要获得马氏体，除了合金化提高过冷奥氏体的稳定性外，只有提高奥氏体化温度和加强淬火冷却方可。例如用16Mn钢制造五铧犁犁臂，采用940在10NaOH水溶液中淬火并低沮回火，可获得良好效果。 中碳钢经高温淬火可使奥氏体成分均匀：得到较多的析条状马氏体，以提高其综合性能。例如AISl4340钢，870淬油后，200回火，其s为1621MN/m2， 断裂韧性Kc为67.6MN/m，而在1200加热，预冷至870淬油后200回火，s为1586MN/m2，断裂韧性Kc为81.8MN/m。 若在淬火状态进行比较，高温淬火的断裂韧性比普通淬火的几乎提高一倍。金相分析表明，高温淬火避免了片状马氏体(孪晶马氏体)的出现，全部获得了板条状马氏体。此外，在马氏体板条外面包着一层厚100-200朋残余奥氏体，能对裂纹尖端应力集中起到缓冲作用，因而提高了断裂韧性高碳钢低温、快速、短时加热淬火 高碳钢件一般在低温回火条件下，虽然具有很高的强度，但韧性和塑性很低。为了改善这些性能，目前采用了一些特殊的新工艺。 高碳、低合金钢，采用快速、短时加热。因为高碳低合金钢的淬火加热温度一般仅稍高于Ac1点，碳化物的溶解、奥氏体的均匀化，靠延长时间来达到。如果采用快速，短时加热，奥氏体中含碳量低，因而可以提高韧性。例如T10V钢制凿岩机活塞，采用720预热16分钟，850盐浴短时加热8分钟淬火，220回火72分钟、使用寿命由原来平均进尺500m提高至4000m。如前所述，高合金工具钢一般采用比Ac1点高得多的淬火温度，如果降低淬火温度，使奥氏体中含碳量及合金元素含量降低，则可提高韧性。例如用W18Cr4V高速钢制冷作棋具，采用1190低温淬火，其强度和耐磨性比其它冷作模具钢高，并且韧性也较好。亚共析钢的亚温淬火 亚共析钢在Ac1Ac3之间的温度加热淬火称为亚温淬火意即比正常淬火温度低的温度下淬火其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性，经930淬火+650回火+800亚温淬火的韧性，随着回火温度的升高而单调提高，没有回火脆性，亚温淬火之所以能提高韧性及消除回火脆性的原因尚不清楚。有人认为主要是由于残存着铁素体，使脆化杂质原子P、Sb等在铁索体富集之故。有人研究了直接应用亚温淬火(不是作为中间处理的再加热淬火)时淬火温度对45、40Cr及60Si2钢力学性能的影响，发现在Ac1到Ac3之间的淬火温度对力学性能的影响有一极大值。在Ac3以下510处淬火时，硬度、强度及冲击值都达到最大值，且略高于普通正常淬火。而在稍高于Ac1的某个温度淬火时冲击值最低。认为这可能是由于淬火组织为大量铁素体及高碳马氏体之故。 显然，亚温淬火对提高韧性，消除回火脆性有特殊重要的意义。它既可在预淬火后进行、也可直接进行。淬火温度究竟应选择多高，实验数据尚不充分，看法不完全一致。但是为了保证足够的强度，并使残余铁索体均匀细小，亚温淬火温度以选在稍低于Ac1的温度为宜等温淬火的发展 近年来的大量实践证明，在同等硬度或强度条件下，等温淬火的韧性和断裂韧性比淬火低温回火的高。因此，人们在工艺上如何设法获得下贝氏体组织作丁很多努力，发展了不少等温淬火的方法，现简单介绍如下：预冷等温淬火 该法采用两个温度不等的盐浴，工件加热后，先在温度较低的盐浴中进行冷却，然后转入等温淬火浴槽中进行下贝氏体转变；再取出后空冷。该法适用于淬透性较差或尺寸较大的工件用低温盐浴预冷以增加冷却速度，避免自高温冷却时发生部分珠光体或上贝氏体转变。例如(0.50.5)C十05Mn钢制3mm厚的收割机刀片，用普通等温淬火硬度达不到要求，而改用先在250盐浴中冷却30秒种，然后移人320盐浴中保持30分钟，则达到要求。预淬等温淬火 将加热好的工件先淬人温度低于Ms点的热浴以获得，10的马氏体，然后移入等温淬火槽中等温进行下贝氏体转变，取出空冷，再根据性能要求进行适当的低温回火当预淬中获得的马氏体量不多时，也可以不进行回火。 该法是利用预淬所得的马氏体对贝氏体的催化作用，来缩短贝氏体等温转变所需时间。因而该法适用于某些合金工具钢下贝氏体等温转变需要较长时间的场合。在等温转变过程中，预淬得到的马氏体进行了回火。分级等温淬火 在进行下贝氏体等温转变之前，先在中温区进行一次(或二次)分级冷却的工艺。该种工艺可减少热应力及组织应力，工件变形开裂倾向性小，同时还能保持强度、塑性的良好配合，适合于高合金钢(如高速钢等)复杂形状工具的热处理。其它淬火方法 此外，尚有液氮淬火法，即将工件直接淬入196的液态氮中。因为液氮的汽化潜热较小，仅为水的十一分之一，工件淬入液氮后立即被气体包围，没有普通淬火介质冷却的三个阶段，因而变形、开裂较少，冷速比水大五倍。液氮淬火可使马氏体转变相当完全，残余奥氏体量极少，可以同时获得较高的硬度、耐磨性及尺寸稳定性。但成本较高，只适用于形状复杂的零件。 流态化床淬火的应用也日益广泛。因其冷却速度可调(相当于空气到油的冷却能力)，且在表面不形成蒸汽膜，故工件冷却均匀，挠曲变形小。由于冷却速度可在相当于空冷至油冷的范围内调节，因而可实现程序控制冷却过程。它可以代替中断淬火、分级淬火等规程来处理形状复杂、变形要求严格的重要零件及工模具合金钢的优点：高的强度和淬透性第一节 合金元素在钢中的作用常用合金元素：非碳化物形成元素Co Ni Cu Si Al碳化物形成元素Zr Nb V Ti W Mo Cr Mn Fe 强 中强 弱一、合金元素对钢中基本相的影响1、形成合金铁素体合金元素 溶入A 形成合金铁素体 固溶强化（Cr,Ni较好）2、形成合金碳化物弱碳化物形成元素 形成合金渗碳体 (Fe,Mn)3C 中强碳化物形成元素 形成合金碳化物 (Cr23C6，Fe3W3C) 强碳化物形成元素 形成特殊碳化物（VC，TiC）熔点、硬度和稳定性：特殊碳化物 合金碳化物 合金渗碳体 Fe3C二、合金元素对Fe-FeC相图的影响合金元素对A相区影响扩大A相区元素（Mn）E、S点左下移缩小A相区元素（Cr）E、S点左上移奥氏体钢：1Cr18Ni9铁素体钢：1Cr17莱氏体钢：W18Cr4V三、合金元素对热处理的影响1、对加热的影响 多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大2、对冷却的影响 多数元素溶入A后 过冷A稳定性 Vc淬透性 Ms点残余A量提高淬透性的意义：增加淬硬层深度减少工件变形、开裂倾向3、对回火的影响 回火稳定性抗回火软化的能力 产生二次硬化（析出特殊碳化物，产生弥散强化；A残M或B下）第二节 低合金钢一、低合金高强度钢碳素结构钢：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275 低合金高强度钢：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460 Q235+Me(3%) Q3451、成分：0.10.2%C，合金元素23% 主加元素：Mn 固溶强化 辅加元素：Ti,Cr,Nb 弥散强化使用状态：热轧或正火（F + P），不需最终热处理2、性能：较高的s ，良好的塑性韧性，焊接性，抗蚀性，冷脆转变温度低3、常用钢号：Q295 （09Mn2），Q345 (16Mn) 用途：工程结构 桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器二、易切削结构钢牌号：Y12，Y12Pb，Y30，Y 40Mn性能：良好的切削加工性（170240HBS，塑性低） 切削抗力小，刀具不易磨损，加工表面粗糙度低应用： 成批、大量生产时，制作性能要求不高的紧固件和小型零件第三节 合金钢的分类与牌号一、合金钢分类低合金钢低合金高强度钢、易切削结构钢合金结构钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢合金工具钢合金工具钢、高速钢特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢二、合金钢牌号1、合金结构钢20CrMnTi，60Si2Mn，25Cr2Ni4WA2、滚动轴承钢GCr153、合金工具钢9Mn2V，CrWMn4、高速钢W18Cr4V，W6Mo5Cr4V25、不锈、耐热钢4Cr13，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo26、高锰耐磨钢ZGMn13学习思路：用途 工作条件 性能要求 成分特点 热处理特点 典型钢种应用第四节 合金结构钢一、渗碳钢1、用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）2、性能：表面高的硬度、耐磨性心部强而韧3、成分：0.10.25%C 低碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒（VC,TIC,耐磨性），4、最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织：表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：F+P5、常用钢号：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W淬透性： 低 中 高适用： 机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮二、调质钢1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）2、性能：良好的综合机械性能3、成分：0.30.5%C 中碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si 淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒, 回火稳定性4、热处理：预备：正火S改善组织，消除锻造应力，便于切削加工 最终：调质回火S获得良好的综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,-1，表面淬火+ 低温回火（回火M）5、常用钢号：45，40Cr，40CrMnMo三、弹簧钢1、用途：弹性元件2、性能：高的e 、b 、-1 ，一定的塑韧性3、成分： 0.450.7%C （碳钢0.60.9%C）保证e 主加元素：Mn, Si, Cr 淬透性，强化基体, 回火稳定性 辅加元素：Mo, W, V 防脱碳，细化,e ，4、热处理：热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）：加热成型淬火+中温回火喷丸（回火T ）3850HRc冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝 冷绕成型 去内应力退火（200300）5、常用钢号：65，65Mn， 小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn 大尺寸的汽车板簧四、滚动轴承钢1、用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套）2、性能：硬、耐磨， -1 ，一定的韧性3、成分：0.951.15%C 硬、耐磨 主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨4、热处理： 预备：球化退火球状P（180270HBS），改善切削加工性 最终：淬火+低温回火回火M+合金碳化物+残A5、常用钢号：GCr15第五节 合金工具钢一、刃具钢性能：高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性）， 足够的强度、韧性1、合金刃具钢成分：0.81.5%C 硬、耐磨 Cr, W, Mn, V 淬透性、回火稳定性，细化晶粒，热处理：预备：球化退火改善切削加工性最终：淬火+低温回火回火M+合金碳化物+残A HRC、耐磨性常用钢号：9SiCr，CrWMn，9Mn2V用于制作切削用量不大,形状复杂,精度较高的刀具：丝锥，板牙，拉刀2、高速钢红硬性高（600），淬透性好锋钢。钢号：W18Cr4V（红硬性），W6Mo5Cr4V2（韧性）成分特点： 含碳量 0.71.2%C （不标） 合金元素 W，Mo，Cr，V产生二次硬化，热硬性锻造与热处理： 铸态：莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状锻造：使碳化物细化并均匀分布预备：球化退火 S+细粒状碳化物（HBS210250）最终：淬火（1280）+三次回火（560）回火M+合金碳化物+残A (6366HRc) 热处理特点： 预热次数多 防变形开裂淬火温度高 使合金元素尽可能多地溶入A，保证红硬性 560回火 产生二次硬化 （弥散强化+二次淬火） 回火次数多 消除残余A，及残余AM产生的应力二、模具钢1、冷作模具钢性能： 高硬度、耐磨性，足够的强度、韧性模具钢：T10，GCr15 尺寸小、形状简单的模具 9SiCr，9Mn2V，CrWMn 形状复杂模具 Cr12,Cr12MoV 大型复杂模具 热处理：淬火+低温回火2、热作模具钢性能： 高温足够的强韧性、耐磨性，良