钢热处理工艺性及合理选择

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钢热处理工艺性及合理选择
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     钢的热处理工艺性主要包括淬透性、淬硬性、回火脆性、过热敏感性、耐回火性、氧化脱碳趋向及超高强度钢表面状态敏感性等，这些工艺性均与材料的化学成分和组织有关，是选材和制定生产工艺的重要依据。
: Q4 h1 Y! Q. T; P, M* x    1．淬透性　钢的淬透性是指在一定条件下钢件淬火后能够获得淬硬层的能力。钢的淬透性一般可用淬火临界直径、截面硬度分布曲线和瑞淬硬度分布曲线等表示。
8 d  U8 H) e+ k6 p% f8 j# E- Y    淬火临界直径是指淬火试件中心形成一定量马氏体，即心部达到一定临界硬度的最大直径，临界硬度与碳含量关系见图1。
3 C$ g# L' o3 e. R. K  e: @8 F4 e2 O    一般机械制造行业大多以心部获得50％马氏体（体积分数）为淬火临界直径标准，对于重要机械及军工行业则以心部获得90％马氏体（体积分数）作为临界直径标准，以保证零件整个截面都获得较高力学性能。对于同一个钢种，由于选用淬火临界直径标准不同，其临界直径尺寸也不同，以50%马氏体（体积分数）为标准的临界直径大于以90%马氏体（体积分数）为标难的临界直径。
    钢的淬透性使钢产生了尺寸效应（亦称质量效应），由于零件截面尺寸大小不同而造成淬硬层深度不同，同时也影响淬火件表面硬度，因此设计师必须充分注意材料的淬透性，合理选择材料，设计大截面或形状复杂的重要零件时应选用淬透性好的合金钢，可以保证沿整个截面都具有高强度和高韧性的良好配合，同时减少热处理变形和开裂。设计师还要根据零件的服役条件合理确定淬透性要求，对于重要零件（如连杆、高强度螺栓、拉杆等），要求淬火后保证心部获得90%以上马氏体（体积分数）；对于一般单向受拉、受压的零件，则要求淬火后心部获得50%马氏体（体积分数）即可；因考虑刚度而尺寸较大的曲轴，淬火后只要求离表面1／4R处保证获得50％以上马氏体（体积分数）；弹簧零件一般要求淬透；对于滚动轴承、小轴承要全部淬透，但受冲击载荷大的大轴承则不宜淬透。此外，设计师还应注意，各种材料手册中的数据都有尺寸限制，不能根据小尺寸试样的性能指标来进行大尺寸零件的强度计算。
    工艺师应根据钢的淬透性合理安排加工工序。当零件尺寸较大、又受到淬透性限制时，为了保证淬硬层深度，可采用先粗加工后热处理，热处理后再精加工。截面差别较大的零件，如大直径台阶轴，从淬透性考虑，可先粗车成形，然后调质，增加淬硬层深度。
    钢的碎透性是制定热处理工艺的重要依据。淬透性好的钢淬火时，可以选用较缓和的淬火介质和较慢冷却的淬火工艺，以减少零件的变形和开裂趋向。
    2.淬硬性　淬硬性是指钢在理想淬火条件下，以超过临界冷却速度冷却，使形成的马氏体能够达到最高硬度。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量，碳含量越高，淬火后硬度也越高，其他合金元素的影响较小。碳含量（质量分数）达0．6％时，淬火钢的硬度接近最大值。碳含量进一步增加，虽然马氏体硬度会有所提高，但由于残留奥氏体量增加，碳素钢的硬度提高不多，合金钢的硬度反而会下降，见图2。
    设计师在零件设计时要考虑钢的淬硬性，合理确定钢的碳含量。在要求表面硬度较高时，应选择中碳或高碳钢；对表面硬度要求不高时，一般选择中碳或低碳钢。
" x; s) s2 _+ q3 l8 P$ C4 s# A9 t     3．回火脆性  钢制零件的使用性能主要通过回火获得，回火温度等参数主要根据设计强度要求来选择。但很多钢种随回火温度升高会出现两次冲击韧度明显降低现象，称之为回火脆性。
2 i; j& z, k$ Q; a9 k$ \4 L# j. p% l    钢在300℃左右温度范围回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性；在400～550℃温度范围内回火时产生的回火脆性称为第二类回火脆性，也称高温回火脆性，回火脆性的特点如表l所示。
    在设计和生产中应尽量避免选用需要在回火脆性区回火所达到的强度水平，常见钢回火脆性温度范围如表2所示。采用快速冷却可以消除第二类回火脆性，选用含钼、钨的合金钢、细晶粒钢及高纯净钢可降低回火脆性。
) v( ^2 D3 r- e! j) ~    4．过热敏感性  钢在加热时，由于温度过高，晶粒会长大，引起性能显著降低的现象，称之为过热。加热温度接近固相线附近时，晶界会被氧化和部分熔化，称之为过烧。
2 y  W' [. v  A2 _" m- L    过热的重要特征是晶粒粗大，将使钢的屈服强度、塑性、冲击韧度和疲劳性能降低，同时提高钢的施性转变温度；过热还会使淬火马氏体粗大，降低其耐磨性能，增加淬火变形和开裂倾向，因此工业上总是通过各种途径细化晶粒，从而达到细化组织提高性能的目的。在各种钢种中，含锰钢的过热敏感性较大。
    在设计和生产中应注意钢的过热敏感性，选用合适的钢种，合理选择淬火加热温度和保温时间，按工艺要求准确控制工艺参数。由于渗碳钢在渗碳时温度较高，时间较长，容易产生晶粒粗大，所以对于含锰钢等过热敏感性较大钢种一般不直接淬火，应采用二次淬火。
$ e( m3 x' k" z% p/ C- ~    对于一般过热组织，可以通过多次正火或退火消除，对于较严重的过热组织，如状断口，不能用热处理消除，必须采用高温变形和退火联合作用才能消除。过烧组织不能挽救，是不允许的缺陷。
/ L4 V* a3 o4 z    5．耐回火性　耐回火性是指钢在回火时抵抗软化的能力，也称回火抗力、抗回火性和回火稳定性。耐回火性好的钢在回火时组织、性能变化缓慢，可以在较高温度下回火后使用。合金钢的耐回火性比碳钢好，所以对于相同碳含量的钢种要得到相同回火硬度时，合金钢的回火温度要比碳钢高，回火时间较长，回火后内应力比碳钢小，塑性和韧性也高。
    在工业生产中，对于要求内应力消除较完全、强度与韧性配合好的零件，设计时应选用耐回火性好的合金钢。对于使用温度较高的零件，要选择耐回火性好的钢种，一般使用温度最高限度在回火温度以下50”C。
    6．氧化脱碳趋向  钢在加热过程中，由于周围氧化气氛的作用，表面形成金属氧化物，使钢表面失去原来的光泽，称之为氧化；同时钢材表面的碳全部或部分丧失掉，使表面碳含量降低，称之为脱碳。在还原气氛中加热，一般不会产生氧化，但控制不好还会产生脱碳。
    氧化使钢表面失去金属光泽，表面粗糙度值增加，精度下降，这对精密零件是不允许的。同时，氧化使钢的强度降低，其他力学性能也下降，增加了淬火开裂和淬火软点可能性。脱碳明显降低钢的淬火硬度、耐磨性及疲劳性能，高速钢脱碳会严重影响热硬性。各种钢种中，含硅钢的氧化脱碳倾向较大。
    在工业生产中应尽量避免氧化脱碳，重要受力件不允许在最终零件上有氧化脱碳层存在。为此，设计师必须根据生产过程和现场条件，合理留足加工余量，工艺师应适当安排好加工流程，热处理工作者应积极采用各种少无氧化脱碳的热处理工艺，控制氧化脱碳，保证零件热处理质量，获得稳定可靠的使用性能。
    7．超高强度钢表面状态敏感性  超高强度钢具有比强度高的特点，可以减轻零件重量，提高产品性能，应用范围不断扩大。但超高强度钢的缺口敏感性较大，对表面状态比较敏感，表面不完整将使其疲劳性能、耐腐蚀性能、塑性与韧性等大幅度下降，甚至造成灾难性破坏，因此应注意改善缺口敏感性，保持表面完整性，防止氢脆和表面氧化脱碳，具体措施见表3。      
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表1  不同回火状态的脆性特点

8 f% y8 T1 t7 u% i种  类 特 点
+ R6 v9 {% S$ n' H7 _第一类回火脆性(低温回火脆性) 300℃发生的回火脆性，具有不可逆性。凡是淬成马氏体的钢均有这类脆性。
2 H# n  m7 S4 G# {0 k第二类回火脆性(高温回火脆性) 400～550℃发生的回火脆性经快速冷却可以消除。Mn钢、Cr钢、Cr-Mn钢、Cr-Ni钢等钢种易发生第二类回火脆性
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表2  常用钢产生回火脆性的温度范围  (℃)

钢 号 第一类回火脆性 第二类回火脆性
30Mn2 250～350 500～550
20MnV 300～360   
25Mn2V 250～350 510～610
35SiMn   500～650
% H: b$ ~' w1 y7 V20Mn2B 250～350   
  |( {' G4 D, O45Mn2B   450～550
# R% N) L# e8 |! U7 `: ~15MnVB 250～350   
' G7 a9 |! ~8 R8 Z5 u4 V20MnVB 200～260 520左右
40MnVB 200～350 500～600
% q( x9 y# P+ \( N9 U" ^40Cr 300～370 450～650
45Cr     
38CrSi 250～350 450～550
1 [; ?! K# V$ L4 o: O35CrMo 250～400 无明显脆性
20CrMnMo 250～350   
: W# {  I, \) F9 e* J! R! ]+ t* M30CrMnTi   400～450
  M% {) _. ]( w: |30CrMnSi 250～380 460～650
20CrNi3A 250～350 450～550
3 f2 S# E8 Y- P" A12Cr2Ni4A 250～350   
37CrNi3 300～400 480～550
40CrNiMo 300～400 一般无脆性
38CrMoAlA 300～450 无脆性
; I( r4 E' l' x$ i" ?4Cr9Si2   450～600
# q: O: ?" g4 g5 q+ n" N65Mn
+ g+ H' h5 u5 U# X60Si2Mn
   有回火脆性
50CrVA 200～300   
6 o! U5 V$ j5 O: d9 n7 L4CrW2Si 250～350   
5CrW2Si 300～400   
6CrW2Si 300～450   
' m% N0 @7 k; g# f4SiCrV   ＞600
3Cr2W8V   550～650
' [8 t" M+ n" o- \( c: l4 C2 V4 u! w9SiCr 210～250   
CrWMn 250～300   
9Mn2V 190～230   
T8～T12 200～300   
GCr15 200～240   
9 m$ r: l2 g$ G" H9 F! `1Cr13 520～560   
2Cr13 450～560 600～750
3Cr13 350～550 600～750
& ^! ?0 }+ r( C- r$ E& k: F1Cr17Ni2 400～580   
( a* C) Z1 u1 ^: q. i5 g+ M  M9 I
表3  超高强度钢表面状态敏感性改进措施

: H: R( l; H4 V, a目 的 改进措施
6 ~9 ~* @, T; G- y1 }: T改善或避免缺口敏感性 1)采用等温淬火工艺，代替油淬+低温回火工艺。2)对于受拉伸疲劳作用的重要螺纹零件，一般对螺纹部分进行局部回火，螺纹局部回火后硬度为39～43HRC。3)硬度检验或作标识，均应打在应力水平较低、应力集中较小的部位。4)设计时应采用大圆角过度，避免截面和尺寸的剧变。
减少表面残留应力敏感性 1)对淬火回火又经磨削、高速铰孔或校正的零件，还应进行一次去应力回火，一般在原回火温度以下20～30℃，保温3h以上。2)磷化后磨削的零件，应补充150℃、3h的去应力回火。3)表面大都需喷丸、孔挤压、螺纹滚压等表面强化。4)机加工后进行酸浸检查，以防止二次未回火马氏体
防止氢脆 1)超高强度钢不宜在吸热式等含氢量较高的保护气氛中加热，避免增氢。如发现增氢，应在淬火后立即进行除氢处理，一般为190℃、16h以上除氢处理。2)在酸洗、电镀后应及时进行除氢处理，一般为190℃、16h除氢。3)电解加工或回火酸浸蚀检查的零件在8h内进行190～260℃、3h以上的回火处理
% f( M0 A( `- O% Z7 T8 M) G防止热处理加热氧化脱碳 一般规定，低合金超高强度钢最终热处理后，表面脱碳层≤0.075mm，不得有增碳、增氮和晶界氧化，为此这类钢的最终热处理应采用真空热处理、氮基气氛等保护气氛热处理，或者盐炉及涂料保护加热
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[ 本帖最后由 阿帕奇 于 2006-8-12 22:04 编辑 ]

燕山

谢谢楼主,介绍的很详细.

bigwind

不错啊,很实用的东西!

chwd

非常感谢！正是我需要的。

yyyyu100

谢谢楼主了,学习！！！