金属材料淬火新工艺模板

金属材料淬火新工艺

在长久生产实践和科学试验中，大家对金属内部组织状态改变规律认识不停深入，尤其是从60年代以来，透射电镜和电子衍射技术应用，多种测试技术不停完善，在研究马氏体形态、亚结构及其和力学性能关系，取得不一样形态及亚结构马氏体条件，第二相形态、大小、数量及分布对力学性能影响等方面，全部取得了很大进展，建立在这些基础上淬火新工艺也层出不穷。

㈠循环快速加热淬火

淬火、回火钢强度和奥氏体晶粒大小相关，晶粒愈细，强度愈高，所以怎样取得高于10级晶粒度超细晶粒是提升钢强度关键路径之一。钢经过α→γ→α数次相变重结晶可使晶粒不停细化；提升加热速度，增多结晶中心也可使晶粒细化。循环快速加热淬火即为依据这个原理取得超细晶粒从而达成强化新工艺。比如45钢，在815℃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12～15级；又如20CrNi9Mo钢，用3000赫芝200千瓦中频感应加热装置以11℃/s速度加热到760℃，然后水淬，使σs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%。

㈡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淬火温度，则可得到板条状马氏体，或增加板条马氏体数量，从而取得良好综合性能。

从奥氏体含碳量和马氏体形态关系试验证实，含碳量小于0.3％钢淬火所得全为板条状马氏体。不过，一般低碳钢淬透性极差，若要取得马氏体，除了合金化提升过冷奥氏体稳定性外，只有提升奥氏体化温度和加强淬火冷却方可。比如用16Mn钢制造五铧犁犁臂，采取940℃在10％NaOH水溶液中淬火并低沮回火，可取得良好效果。

中碳钢经高温淬火可使奥氏体成份均匀：得到较多析条状马氏体，以提升其综合性能。比如AISl4340钢，870℃淬油后，200℃回火，其σs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，σs为1586MN/m2，断裂韧性Kc为81.8MN/m。若在淬火状态进行比较，高温淬火断裂韧性比一般淬火几乎提升一倍。金相分析表明，高温淬火避免了片状马氏体(孪晶马氏体)出现，全部取得了板条状马氏体。另外，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，所以提升了断裂韧性．

㈢高碳钢低温、快速、短时加热淬火

高碳钢件通常在低温回火条件下，即使含有很高强度，但韧性和塑性很低。为了改善这些性能，现在采取了部分特殊新工艺。

高碳、低合金钢，采取快速、短时加热。因为高碳低合金钢淬火加热温度通常仅稍高于Ac1点，碳化物溶解、奥氏体均匀化，靠延长时间来达成。假如采取快速，短时加热，奥氏体中含碳量低，所以能够提升韧性。比如T10V钢制凿岩机活塞，采取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提升至4000m。如前所述，高合金工具钢通常采取比Ac1点高得多淬火温度，假如降低淬火温度，使奥氏体中含碳量及合金元素含量降低，则可提升韧性。比如用W18Cr4V高速钢制冷作棋具，采取1190℃低温淬火，其强度和耐磨性比其它冷作模具钢高，而且韧性也很好。

㈣亚共析钢亚温淬火

亚共析钢在Ac1～Ac3之间温度加热淬火称为亚温淬火．意即比正常淬火温度低温度下淬火．其目标是提升冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性，经930℃淬火+650℃回火+800℃亚温淬火韧性，伴随回火温度升高而单调提升，没有回火脆性，亚温淬火之所以能提升韧性及消除回火脆性原因尚不清楚。有些人认为关键是因为残余着铁素体，使脆化杂质原子P、Sb等在铁索体富集之故。有些人研究了直接应用亚温淬火(不是作为中间处理再加热淬火)时淬火温度对45、40Cr及60Si2钢力学性能影响，发觉在Ac1到Ac3之间淬火温度对力学性能影响有一极大值。在Ac3以下5～10℃处淬火时，硬度、强度及冲击值全部达成最大值，且略高于一般正常淬火。而在稍高于Ac1某个温度淬火时冲击值最低。认为这可能是因为淬火组织为大量铁素体及高碳马氏体之故。

显然，亚温淬火对提升韧性，消除回火脆性有特殊关键意义。它既可在预淬火后进行、也可直接进行。淬火温度到底应选择多高，试验数据尚不充足，见解不完全一致。不过为了确保足够强度，并使残余铁索体均匀细小，亚温淬火温度以选在稍低于Ac1温度为宜．

㈤等温淬火发展

多年来大量实践证实，在相同硬度或强度条件下，等温淬火韧性和断裂韧性比淬火低温回火高。所以，大家在工艺上怎样设法取得下贝氏体组织作丁很多努力，发展了不少等温淬火方法，现简单介绍以下：

⒈预冷等温淬火

该法采取两个温度不等盐浴，工件加热后，先在温度较低盐浴中进行冷却，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。该法适适用于淬透性较差或尺寸较大工件．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。比如(0.5～0.5)％C十0．5％Mn钢制3mm厚收割机刀片，用一般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，则达成要求。

⒉预淬等温淬火

将加热好工件先淬人温度低于Ms点热浴以取得，10％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，再依据性能要求进行合适低温回火．当预淬中取得马氏体量不多时，也能够不进行回火。

该法是利用预淬所得马氏体对贝氏体催化作用，来缩短贝氏体等温转变所需时间。所以该法适适用于一些合金工具钢下贝氏体等温转变需要较长时间场所。在等温转变过程中，预淬得到马氏体进行了回火。⒊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)分级冷却工艺。该种工艺可降低热应力及组织应力，工件变形开裂倾向性小，同时还能保持强度、塑性良好配合，适合于高合金钢(如高速钢等)复杂形状工具热处理。

㈥其它淬火方法

另外，还有液氮淬火法，立即工件直接淬入－196℃液态氮中。因为液氮汽化潜热较小，仅为水十一分之一，工件淬入液氮后立即被气体包围，没有一般淬火介质冷却三个阶段，所以变形、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，能够同时取得较高硬度、耐磨性及尺寸稳定性。但成本较高，只适适用于形状复杂零件。

流态化床淬火应用也日益广泛。因其冷却速度可调(相当于空气到油冷却能力)，且在表面不形成蒸汽膜，故工件冷却均匀，挠曲变形小。因为冷却速度可在相当于空冷至油冷范围内调整，所以可实现程序控制冷却过程。它能够替换中止淬火、分级淬火等规程来处理形状复杂、变形要求严格关键零件及工模具合金钢优点：高强度和淬透性合金元素在钢中作用常见合金元素：非碳化物形成元素——CoNiCuSiAl碳化物形成元素——ZrNbVTiWMoCrMnFe强中强弱一、合金元素对钢中基础相影响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很好）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、合金元素对热处理影响1、对加热影响多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大2、对冷却影响多数元素溶入A后→过冷A稳定性↑→Vc↑→淬透性↑→Ms点↓→残余A量↑提升淬透性意义：①增加淬硬层深度②降低工件变形、开裂倾向3、对回火影响①回火稳定性→抗回火软化能力②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）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，Q460Q235+Me(<3%)→Q3451、成份：0.1~0.2%C，合金元素2~3%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σs，良好塑性韧性，焊接性，抗蚀性，冷脆转变温度低3、常见钢号：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，Y40Mn性能：良好切削加工性（170~240HBS，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，制作性能要求不高紧固件和小型零件合金钢分类和牌号一、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学习思绪：用途→工作条件→性能要求→成份特点→热处理特点→经典钢种应用合金结构钢一、渗碳钢1、用途：受冲击和强烈磨损、摩擦零件（各类齿轮、凸轮）2、性能：表面——高硬度、耐磨性心部——强而韧3、成份：0.1~0.25%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、常见钢号：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：受复合应力关键结构件（齿轮、连杆、机床主轴）2、性能：良好综合机械性能3、成份：0.3~0.5%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，消除铸造应力，便于切削加工最终：调质——回火S——取得良好综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+低温回火（回火M）5、常见钢号：45，40Cr，40CrMnMo三、弹簧钢1、用途：弹性元件2、性能：高σe、σb、σ-1，一定塑韧性3、成份：0.45~0.7%C（碳钢0.6~0.9%C）——确保↑σe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,↑σe，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）38~50HRc冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火（200~300℃5、常见钢号：65，65Mn，小尺寸沙发弹簧60Si2Mn大尺寸汽车板簧四、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，↑σ-1，一定韧性3、成份：0.95~1.15%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（180~270HBS），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、常见钢号：GCr15合金工具钢一、刃具钢性能：高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性），足够强度、韧性1、合金刃具钢⑴成份：0.8~1.5%C——硬、耐磨Cr,W,Mn,V——↑淬透性、回火稳定性，细化晶粒，⑵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⑶常见钢号：9SiCr，CrWMn，9Mn2V用于制作切削用量不大,形状复杂,精度较高刀具：丝锥，板牙，拉刀2、高速钢红硬性高（600℃），淬透性好——钢号：W18Cr4V（红硬性↑），W6Mo5Cr4V2（韧性↑）⑴成份特点：含碳量0.7~1.2%C（不标）合金元素W，Mo，Cr，V——产生二次硬化，热硬性↑⑵铸造和热处理：铸态：莱氏体中共晶碳化物呈鱼骨状铸造：使碳化物细化并均匀分布预备：球化退火——S+细粒状碳化物（HBS210~250）最终：淬火（1280℃）+三次回火（560℃）——回火M+合金碳化物+(63~66HRc)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，确保红硬性560℃回火→产生二次硬化（弥散强化+回火次数多→消除残余A，及残余A→M产生应力二、模具钢1、冷作模具钢性能：高硬度、耐磨性，足够强度、韧性模具钢：T10，GCr15——尺寸小、形状简单模具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：高温足够强韧性、耐磨性，良好抗疲惫性、导热性、淬透性钢号：5CrNiMo——中小型热锻模（亚共析钢）5CrMnMo——中大型热锻模3Cr2W8V——压铸模（过共析钢）热处理：淬火+高温回火（中温回火）——回火S（回火T）