金属材料及热处理

金属材料及热处理1精益生产推进部第一页，共二十二页，2022年，8月28日一、Fe-C、Fe-Fe3C合金状态图绘图：略1、A、γ：奥氏体——碳在γ铁中的间隙固溶体；2、F、α：铁素体——碳在α铁中的间隙固溶体；3、α、δ：δ固溶体——碳在δ铁中的间隙固溶体，又称高温铁素体；4、Fe3C、Cm：渗碳体——结构复杂的化合物。属正交晶系；5、A3：在平衡条件下亚共析钢γ+α两相平衡的的上限温度；6、ACm

：在平衡条件下过共析钢γ+Fe3C两相平衡的的上限温度2精益生产推进部第二页，共二十二页，2022年，8月28日二、合金元素对钢组织的影响一、对奥氏体化过程的影响1、加速奥氏体化过程的元素：Co；2、延缓奥氏体化过程的元素：Ti、V、Mo、W；二、对马氏体转变的影响1、降低MS点：C、Mn、V、Cr、Ni、Cu、Mo、W；2、提高MS点：Co、Al；三、对奥氏体化晶粒度的影响1、阻碍晶粒张大：Ti、Ni、

Mo、Co；2、作用不明显：形成比较易溶解碳化物的元素，Cr；3、加速晶粒张大：Mn、P；四、合金元素对热处理工艺的影响1、对加热温度的影响①提高退、淬、回火温度：Cr、Ti、Co、Al、V；②不宜高温加热：Mn；

3精益生产推进部第三页，共二十二页，2022年，8月28日二、合金元素对钢组织的影响2、对加热时间的影响①不宜长时间退火：W；②必须延长淬火加热时间：Cr、W、V；3、对化学热处理的影响促进碳吸收的元素：Cr、W、Mo、V；五、对淬透性的影响1、提高淬透性①易使晶粒张大的元素：Mn等；②降低奥氏体转化临界冷速的元素：P、Ni、Cr、mo；2、降低淬透性①易使晶粒细化的元素：Al等；②提高奥氏体转化临界冷速的元素：Ti、V、Co；

4精益生产推进部第四页，共二十二页，2022年，8月28日二、合金元素对钢组织的影响六、对回火的影响1、对回火稳定性的影响①提高回火稳定性的元素：V、W、Ti、Cr、Mo；②作用不明显的元素：Al、Mn、Ni；2、对回火脆性的影响①促使回火脆性：Mn、Cr、Ni；②防止或延迟回火脆性：Mo；

5精益生产推进部第五页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择一、主要介绍结构纲和工具钢。二、结构钢用来制造工程结构和机械结构，它包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类；1、工程结构钢主要是指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。主要是承受各种载荷，要求具有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性、低温韧性、耐大气腐蚀等等。2、机械制造结构钢主要用于制造各种机械零件，如轴类、齿轮、紧固件、轴承等，广泛应用于汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。主要是承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载荷同时作用，要求有良好的服役性能，有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳强度。

6精益生产推进部第六页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择三、机械制造结构钢的选择1、一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂。为了保证机械零件的正常运转，传统设计只考虑钢的弹性和塑性，有的根据弹性来设计，这叫弹性设计；有些零件只允许少量塑性变形，可根据屈服强度来计算，称为塑性设计。这些情况都是只考虑到强度的强度设计。然而现在对于结构钢，强调了强度和韧性的配合，在追求提高钢的强度的同时也保证有良好的韧性。2、结构的淬透性具有十分重要的意义。淬透的钢可获得高强度和高屈服比，钢中的合金元素对增大淬透性有很大的作用(Ni、Si、Cr、Mo、Mn、B)，碳是钢中的主要元素，它决定了钢的淬硬性，即淬成马氏体的硬度，同时碳也是一个有效增加淬透性的元素。对淬透性要求不高的合金结构钢才采用单一合金元素合金化方案，如40Cr、45Mn2；要求较高淬透性的均采用多种合金元素综合合金化方案，22CrMo、20CrNi3等

7精益生产推进部第七页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择3、汽车齿轮用钢的选择①、汽车齿轮多数要求表面有高的疲劳强度和耐磨性，而心部又要有高强度和韧性，这就需要进行表面化学热处理。渗碳钢是为了适用于渗碳热处理的需要而发展起来的一种钢种。

②渗碳钢通过表面渗碳、整体淬火，得到表面是高碳马氏体，沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体，可使表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性，而心部又有高强度和韧性。

③齿轮用渗碳钢都是低碳钢，应根据零件对淬透性的要求，并考虑合金元素对渗碳工艺的影响，进行综合合金化。如：活塞销等小零件，采用低淬透性的15号和20号钢即可；制作齿轮、小轴等要求一定的淬透性的用20Cr、20MnV等；制作汽车、拖拉机上承受高速中载荷并要求抗冲击和耐磨的齿轮、后桥和轴，用中淬透性渗碳钢，如20CrMnTi及22CrMn；制作大型齿轮和轴类采用高淬透性钢，如：20CrNi3、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。

8精益生产推进部第八页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择四、工具钢对各种材料进行加工，需要采用各种工具，主要是各种刃具和模具，随着加工工业的发展，刃具和模具的负荷不断加大，因而要求更耐用的材料制造。1、工具钢按其用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。①刃具钢在切削过程中受到弯曲、剪切、冲击、扭转、震动、摩擦等力的作用，产生热量，使刀刃温升到600℃甚至更高，同时刃部也发生磨耗。所以要求刃具有高强度、高耐磨性、一定的韧性和塑性，有的还要求热硬性。②模具钢可分为热作模具钢和冷作模具钢，热作模具用于加工赤热金属或液态金属，受到热疲劳，还受巨大压力、冲击、摩擦和冲刷，要求具有高温下的强度和硬度，抗热疲劳和良好的韧性。冷作模具钢如冷冲模、剪切片、冷轧辊等要求高硬度、耐磨性和一定韧性。③量具钢用来制作量规、卡尺、样板等，用来测量工件尺寸和形状，要保证测量的准确度，要求高硬度、耐磨性和尺寸稳定性。

9精益生产推进部第九页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择五、工具钢的选择1、工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两大类。高速工具钢因其成分和组织的特殊性以及产量大，而另为一类。①碳素工具钢的碳的质量分数在0.65%~1.35%，钢号从T7~T13，经不完全淬火和低温回火，硬度在HRC58~64范围，可作为低速切削的刃具，不足在于淬透性低，必须用盐水或碱水淬火，淬火变形开裂倾向大，工作温度低于200℃。②合金工具钢是为了弥补碳素钢的不足而加入合金元素。如Cr、Mn、Si、W、Mo、V。主要钢种有Cr2、9SiCr、CrMn、CrWMn等，可做刃具和量具。合金元素的加入提高了钢的淬透性，可用油淬减少了变形开裂。③合金工具钢如9SiCr适于制作形状较复杂的小形工件，如丝锥、扳牙、钻头、绞刀等；CrWMn钢有较高的淬透性，淬火后变形小，适于制作形状复杂的工件，如拉刀、量具和形状复杂的高精度冲摸等；CrW5钢由于W多，形成了M6C碳化物，820℃淬火、回火后硬度HRC64~65，而且耐磨性好，适于制作慢速切削较硬合金的刀具，如铣刀、刨刀和雕刻用刀具。

10精益生产推进部第十页，共二十二页，2022年，8月28日三、机械用钢的选择2、高速工具钢高速工具钢适用于高速切削刃具，由于合金度高，可保证刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50，从而具有优良的切削性和耐磨性。

①根据钢中元素成分，高速钢可分为三类：钨系高速钢、钼系高速钢、钨钼系高速钢。其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍，属于通用型高速钢；而高碳高钒、高钴和超硬高速钢属于特殊高性能高速钢。②高速钢的热处理高速钢经锻轧后，钢材需要退火。高速钢的AC1在820~860℃范围，故退火温度选择870~880℃，保温2~3小时，大部分合金碳化物未溶入奥氏体，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷切时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物。一般以冷却速度小于30℃/h，冷到600℃出炉空冷。这样退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30%。③高速钢的淬火是为了获得高合金的马氏体，淬火后获得高合金的马氏体，具有高的抗回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生次生硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。11精益生产推进部第十一页，共二十二页，2022年，8月28日四、钢的渗碳一、渗碳工艺参数1、渗碳介质的化学成分，主要有几种类型①、气体渗碳：天然气、甲烷、煤油等；②、液体渗碳：盐浴等；③、固体渗碳：木炭等；

12精益生产推进部第十二页，共二十二页，2022年，8月28日四、钢的渗碳2、常用气体渗碳

类别渗剂组成、特点使用方法液体煤油石蜡烃、烷烃及芳香烃的混合物，一般灯用煤油S<0.04%者均可使用，价格便宜，但易产生碳黑。直接滴入渗碳炉内，调节液滴数量以控制工件表面碳浓度。多用于井式炉。用甲醇添加酮或脂可实现滴注式可控气氛渗碳。甲醇添加酮、脂类有机化合物甲醇添加一定比例酮或脂滴入炉内裂解，靠调整酮或脂量来控制碳势。气体天然气主要成分是甲烷直接通入炉内裂解。工业丙烷和丁烷工业丙烷和丁烷是炼油厂副产品，价格便宜。直接通入炉内或添加少量空气在炉内裂解。吸热式气体用天然气或工业丙烷和丁烷与空气按一定比例，在高温和有镍催化剂作用下裂解而成。一般用吸热式气体作运载气体，用天然气或丙烷作富化气，以调整炉内碳势13精益生产推进部第十三页，共二十二页，2022年，8月28日四、钢的渗碳3、渗碳温度常用920~930℃，对浅层渗碳，有时也采取较低的渗碳温度，如δ=0.35~0.65mm时，渗碳温度选用880±10℃，当δ在0.65~0.85mm时，渗碳温度选用900±10℃，当δ在0.85~1.0mm以上时，渗碳温度选用920±10℃，4、渗碳时间渗层深度确定后，所需渗碳时间可根据渗碳介质的碳势、渗碳工艺方法、渗碳温度和渗碳件所用的钢种等，利用扩散方程的解进行计算。

层深δ(mm)=660×ｅ-8287/Tt1/2式中t——时间(h)T——温度(K)对几个常用渗碳温度的层深计算公式可简化为：925℃时，δ(mm)=0.635t1/2900℃时，δ(mm)=0.533t1/2870℃时，δ(mm)=0.457t1/2

14精益生产推进部第十四页，共二十二页，2022年，8月28日四、钢的渗碳二、渗碳的原理

C含量高金相组织粗大碳化物级别高：脆性高；C含量低硬度不够：不耐磨，麻点剥落等。15精益生产推进部第十五页，共二十二页，2022年，8月28日四、钢的渗碳三、对渗碳质量的技术要求1、有效硬化层深度：根据国标是从表面到550HV处的距离；2、渗碳层表面硬度：58~63HRC或710HV，受力较大的工件心部硬度控制在29~43HRC。3、表面含碳量：通常为0.7~1.05%，对低碳钢可取0.9~1.05%，镍铬合金钢为0.7~0.8%，其他合金钢为0.8~0.9%。要求耐磨和抗麻点剥落则选择上限，要求强韧受冲击载荷而又一定耐磨性则选下限。4、渗层与心部组织：渗层为细针状马氏体+少量残余奥氏体及均匀分布的粒状碳化物，不允许网状碳化物存在，心部组织应为低碳马氏体或下贝氏体，不允许有块状或沿晶界析出的铁素体。

16精益生产推进部第十六页，共二十二页，2022年，8月28日五、连续式渗碳炉的工艺流程1、预氧化炉/脱脂炉(460℃±10)：①燃烧产品表面冷加工的机械油；②缓慢升高温度，防止开裂、变形。2、加热区：缓慢升温3、强渗区：1.2C%碳势，达到快速渗碳的目的。4、扩散：910℃此时扩散效果最好，0.7C%，技术、质量要求，此时产品综合性能较好。5、保温为淬火作准备，得到适当马氏体，表面硬度。6、回火得到适当硬度，稳定组织，消除残留内应力等。

17精益生产推进部第十七页，共二十二页，2022年，8月28日六、钢的其它热处理一、钢的其它热处理1、钢的渗氮①渗氮炉有井式、箱式等基本类型，由于气体污染对人体伤害较大，故它们都有一个密封良好的炉罐，一般用不锈钢制造。②渗氮气体一般用脱水氨气，通过氨分解度的测定来调节通入炉入的氨量以控制渗氮过程。③渗氮前的热处理，常用的渗氮前热处理是调质，调质的高温回火温度至少要比渗氮温度高10℃。④常用结构钢渗氮前的调质热处理工艺，如：40Cr在860℃油淬+610℃回火，可得HBS220~250。⑤局部渗氮的防护方法：不渗部分可以渡锡或镍来保护。也可以用涂料法，常用水玻璃+20%~30%石墨粉。⑥渗氮主要参数选择：渗氮温度常在480~560℃，形状复杂、表面硬度要求高的采取下限；时间0.4mm内的，平均速度0.015~0.02mm/h，0.4~0.7mm时，0.005~0.015mm/h。炉冷到200℃以下出炉。

18精益生产推进部第十八页，共二十二页，2022年，8月28日六、钢的其它热处理2、钢的碳氮共渗气体：煤油+氨液体：盐浴，氰化物NaCN等固体：木炭+亚铁氰化钾K4Fe(CN)6

技术要求：CN浓度最佳为C：0.7~0.95%；N：0.25~0.40%。表面硬度51~61HRC。组织为：针状马氏体和少量残奥。

工艺温度：一般在840~850℃，也有920℃。

3、调质；高频、中频感应淬火、感应退火等。

19精益生产推进部第十九页，共二十二页，2022年，8月28日七、热处理缺陷及原因分析一、退、正火缺陷1、退火：加热温度过高使晶界氧化或局部熔化(产品报废)