热处理

发布日期:[15-12-27 14:46:23] 浏览人次:[]

-碳合金平衡图中的特性点和特性线(按冷却叙述,加热为可逆的)

1d6d1

-碳合金平衡图

符号

说明

A

纯铁的凝固点

E

碳在γ-Fe中的最大溶解度

G

γ-Fe→α-Fe转变点

C

共晶点

S

共析点

ABCD

液相线,液体开始结晶

AHJECF

固相线,液体结晶终止

ES

Acm线,渗碳体开始从奥氏体中析中

ECF

共晶线,开始从液体结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物

GS

A3线,自奥氏体开始析出铁素体,即γ-Fe→α-Fe的开始线

PSK

共析线或称A1线,自奥氏体开始析出铁素体和渗碳体的共析混合物

注:1.A3线在加热时称为AC3线,冷却时称Ar3线;

2.A1线在加热时称为AC1线,冷却时称Ar1线。

室温下铁-碳合金的平衡组织

名称

含碳量/%

平衡组织

亚共析钢

0.02~0.8

铁素体+珠光体

共析钢

0.8

珠光体

过共析钢

0.8~2.11

珠光体+二次渗碳体

亚共晶白口铁

2.11~4.3

树状珠光体+二次渗碳体+共晶体

共晶白口铁

4.3

共晶体(珠光体+渗碳体)

过共晶白口铁

>4.3~6.67

板状一次渗碳体+共晶体

钢的结构组织和特性

名  称

组  织

特     性

铁素体

(F)

碳在α铁(α-Fe)中的固溶体

呈体心立方晶格。溶碳能力很小,最大为0.02%;硬度和强度很低,80~120HB,σb=250MPa;而塑性和韧性很好,δ=50%,ψ=70%~80%。因此,含铁素体多的钢材(软钢)可用来制作可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件。这类钢有超低碳钢、如0Cr13、1Cr13、硅钢片等

奥氏体

(A)

碳在γ铁(γ-Fe)中的固溶体

呈面心立方晶格。最高溶碳量为2.11%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,170~220HB,奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等

渗碳体

(C)

铁和碳的化合(Fe3C)

呈复杂的八面体晶格。含碳量为6.67%,硬度很高,70~75HRC,耐磨,但脆性很大,因此,渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起。碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是以渗碳体或其他碳化物形式出现

珠光体

(P)

铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织,是铁素体与渗碳体机械混合物(共析体)

是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物。其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细,性质也不同。奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体),在500~600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨的片层状的组织称为极细珠光体(有的叫一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高。正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受载荷时会引起应力集中,故不如索氏体

莱氏体

(L)

(Ld,L'd)

奥氏体与渗碳体的共晶混合物

铁合金溶液含碳量在2.11%以上时,缓慢冷却到1130℃便凝固出高温莱氏体Ld,由渗碳体与奥氏体组成。当温度到达共析温度,莱氏体中的奥氏体转变为珠光体,此时莱氏体称为低温莱氏体L'd。因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体的机械混合物(共晶混合物)。莱氏体硬(>700HB)而脆,是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁。在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等。这类钢一般有较大的耐磨性和较好的切削性

淬火马氏体

(M)

碳在α-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状

淬火后获得的不稳定组织。具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后硬度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为65HRC,冲击韧性很低,脆性很大,断后伸长率和断面收缩率几乎等于零。奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低,奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏体组织,其冲击韧性最高

回火马氏体

是与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织

淬火钢重新加热至150~250℃回火获得的组织。硬度一般只比淬火马氏体低1~3HRC格,但内应力比淬火马氏体小

索氏体

(S)

铁素体和较细的粒状渗碳体组成的组织

淬火钢重新加热至500~680℃回火后获得的组织。与细珠光体相比,在强度相同的情况下塑性及韧性都高,随回火温度提高,硬度和强度降低,冲击韧性提高。硬度约为23~35HRC。综合力学性能比较好。索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体

屈氏体

(T)

铁素体和更细的粒状渗碳体组成的组织

淬火钢重新加热至350~450℃回火后获得的组织。它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很致密,仍具有较高的强度和硬度,并有比马氏体好的韧性和塑性,硬度约为35~45HRC。屈氏体有的叫二次屈氏体或回火屈氏体

下贝氏体

(B)

显微组织呈黑色针状形态,其中的铁素体呈针状,而碳化物呈极细小的质点以弥散状分布在针状铁素体内

过冷奥氏体在400~240℃等温转变后的产物。具有较高的硬度,约为40~55HRC,良好的塑性和很高的冲击韧性,其综合力学性能比索氏体更好;因此,在要求较大的塑性、韧性和高强度相配合时,常以含有适当合金元素的中碳结构钢等温淬火,获得贝氏体以改善钢的力学性能,并减小内应力和变形

低碳马氏体

低碳钢或低合金钢经淬火、低温回火获得的板条状低碳马氏体组织

具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(σb=1200~1600MPa,σ0.2=1000~1300MPa,δ5≥10%,ψ≥40%,aK≥60J/cm2);同时还有低的冷脆转化温度(≤-60℃);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下,其缺口敏感性和过载敏感性都较低。低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA的综合力学性能,比中碳合金钢等温淬火获得的下贝氏体更好。保持了低碳钢的工艺性能,但切削加工较难

整体热处理方法特点和应用

名称

操   作

特    点

目  的  和  应  用

退

(焖

火)

将工件加热到Ac1或Ac3以上(发生相变)或AC1以下(不发生相变),保温后,缓冷下来,通过相变以获得珠光体型组织,或不发生相变以消除应力降低硬度的一种热处理方法

退火后的组织,硬度较低,便于加工。发生相变的退火的组织:亚共析钢→铁素体+珠光体;共析钢→珠光体;过共析钢→珠光体+二次渗碳体

1.降低硬度,提高塑性,改善切削加工性能和压力加工性能(对于不存在珠光体型转变的某些高合金钢,不能采用退火来软化,而要用正火后加高温回火来降低硬度,此时高温回火,也属于不发生相变的退火);

2.细化晶粒,调整组织(限于有相变的退火),改善力学性能,为下一步工序作准备;

3.消除铸、锻、焊、轧、冷加工等所产生的内应力

碳钢退火后的力学性能

含碳量/%

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

抗拉强度σb/MPa

328.5

446

510

608

637

657

682

701

711

硬度HB

95

125

142

172

180

185

191

197

201

40Cr钢退火后的力学性能

σb/MPa

σ0.2/MPa

ak/J·cm-2

δ/%

ψ/%

656

364

56

21

53.5

完全退火

将工件加热到Ac3以上30~50℃的温度,并在此温度保温后,缓冷下来

加热得到均一奥氏体组织后,再缓冷转变为珠光体型的组织

主要用于亚共析组织的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材,有时也用于焊接结构

扩散退火

将工件或钢锭加热到约1300℃,保温较长时间,然后缓冷下来

是利用高温下原子扩散作用,来消除铸件内化学成分的不均匀性(即偏析)

主要是使钢材成分均匀。由于这种退火耗时长,费用高,只在必要时用于高级优质合金钢。扩散退火又称均匀化,其工艺也属于完全退火

不完全

退火

将工件加热到高于Ac1而低于Ac3或Acm的温度,并在此温度停留一定时间,然后缓冷下来

部分珠光体发生重结晶相变成奥氏体(完全退火是全部),冷却后又得到片层间距较大的珠光体,冷却速度快,珠光体层片薄,硬度高,慢则较厚,硬度也较低,细化晶料方面不如完全退火,但加热温度低,效率高,所以使用较广

主要用于过共析钢。但只有在锻造后,没有网状渗碳体析出或在消除了网状渗碳体之后才可以采用。对亚共析钢来说,如果原始组织的晶粒已经很细小,只是为了消除锻轧而产生的内应力或降低硬度,也可采用

等温退火

将工件加热到Ac3以上30~50℃,保温后,较快地冷却到略低于Ar1的温度,并在此温度下等温到奥氏体全部分解为止,然后空冷下来

等温退火比普通退火时间短,工件的氧化和脱碳倾向要小,同时,内部组织和截面上的硬度分布均匀,但对温度的控制有较高的要求

主要用于亚共析钢、共析钢及合金钢、尤其是广泛用于合金钢

等温退火还可以用来防止钢中白点的形成

球化退火

将工件加热到Ac1以上10~20℃,保温适当时间后,缓冷到略低于Ar1的温度,并停留一段时间,使组织转变完成,然后炉冷至500℃以下再空冷

球化退火是将珠光体中的片状渗碳体球化。球化退火后的过共析钢组织是铁素体与球状渗碳体,不但组织比较均匀,而且可以减少淬火时的变形开裂倾向,也降低了硬度,便于加工

主要用于过共析的碳钢及合金工具钢。对于一些形状复杂、淬火时要求变形小、工作时受力复杂的工模具以及轴承用钢,都必须进行球化退火,并严格控制球化级别(按治标规定)

某厂采用T10V作凿岩机的活塞,未经球化退火,淬火时大批开裂,球化退火后,开裂很少

球化困难的钢,可连续重复左述操作多次,即循环退火

去应力

退火

将工件以缓慢的速度加热至500~650℃,经适当保温,随炉缓冷至200~300℃以下出炉(又称软化退火)

由于退火温度<A1,因此,钢在去应力退火过程中并无组织变形,内应力主要是保温后缓冷过程中消除的

用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件以及切削、冷冲压过程中所产生的内应力

对于严格要求减少变形的重要零件在淬火或渗氮后常增加去应力退火,亦称低温退火或高温回火

再结晶

退火

将钢加热到再结晶温度以上150~250℃(碳钢再结晶退火温度即为650~700℃),保温一定时间后,然后缓慢冷却下来

通过加热,增加了钢中的原子扩散能力,使冷加工后钢中破碎和歪扭的晶粒发生再结晶,从而使金属的强度、硬度下降,而塑性升高

是使经过冷加工,如冷冲、冷拔、冷轧等发生加工硬化的钢材,降低硬度,提高塑性,以利于加工继续进行,因此,再结晶退火是冷压力加工后钢的中间退火。例如冷冲薄板制造汽车车体的主要工艺过程:热轧→正火→冷轧→中间退火(650~750℃)→冲成汽车车体。中间退火即为消除加工硬化

(又

火)

将工件加热到Ac3或Acm以上30~50℃,保温一定时间,然后以稍大于退火的冷却速度,冷却下来,如空冷、风冷、喷雾等,得到片层间距较小的珠光体组织(有的叫正火索氏体)

与退火相比,正火后的组织虽然同样是珠光体型的,但组织细,弥散度大,从而有较高的机械性能,还有生产周期短,设备利用率高,成本较低的优点,但劳动条件较差

正火的目的与退火相似,已如前述。具体应用如下:

1.用于含碳量低于0.25%的低碳钢工件,以代替退火,有利于钢的切削加工,此时钢的正火温度应提高到Ac3+(100~150℃)为宜,通称高温正火

2.用于消除过共析钢中的网状渗碳体,以利球化退火。对于截面尺寸较大的过共析钢,应避免采用正火处理

3.对某些大型重型钢件以及形状复杂,截面有急剧变化的钢件应用正火处理来代替淬火处理,以免发生严重变形或开裂

4.对于含碳量在0.25%~0.5%范围内的中碳钢,如35、45钢也适于用正火代替退火,但对同样含碳量的合金钢如5CrMnMo、38CrMoAl等合金钢在正火后还需进行去应力退火

5.对于性能要求不高的普通结构零件,可以用正火作为最终热处理,来提高力学性能

碳钢正火后的力学性能

含碳量

(质量分数)/%

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

抗拉强度

σb/MPa

363

480.5

549

652

691

硬度/HB

101

134

155

185

194

含碳量

(质量分数)/%

0.60

0.70

0.80

0.90

 

抗拉强度

σb/MPa

740

794

824

883

 

硬度/HB

207

225

235

260

 

40Cr钢正火后的力学性能

σb/MPa

σ0.2/MPa

ak/J·cm-2

δ/%

ψ/%

754

45

78

21

56.9

将钢加热到相变温度以上,保温一定时间,而后快速冷下来的一种热处理方法。常用淬火方法如下

淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织,但有时对某些高合金钢,如不锈钢、耐磨钢淬火时,则是为了获得单一均匀的奥氏体组织,以分别提高其耐蚀性和耐磨性

淬火的目的是:

1.提高硬度和耐磨性

2.淬火加中温或高温回火以获得良好的综合力学性能

应根据淬火零件的材料、形状、尺寸和所要求的力学性能的不同,采用不同的淬火方法

如果工件只需局部提高硬度,则可进行局部淬火,以避免工件其他部分产生变形和开裂

正火、球化淬火后硬度与碳含量的关系

361

单液淬火

将工件加热到淬火温度后,浸入一种淬火介质中,直到工件冷至室温为止

此法优点是操作简便,缺点是易使工件产生较大内应力,发生变形,甚至开裂

适用于形状简单的工件;对于碳钢工件,直径大于5mm的在水中冷却,直径小于5mm的可以在油中冷却,合金钢工件大都在油中冷却

双液淬火

将加热后的工件先放在水中淬火冷却至接近Ms点(200~300℃)时,从水中取出立即转到油中(或甚至放在空气中)冷却

利用冷却速度不同的两种介质,先快冷躲过奥氏体最不稳定的温度区间(550~650℃),至接近发生马氏体转变(钢发生体积变化)时再缓冷,以减小内应力和变形开裂倾向

主要适用于碳钢制成的中型零件和由合金钢制成的大型零件

双液淬火法的关键在于恰当地掌握好在水中停留的时间,时间过短,中心部分淬不硬;时间过长,又失去了双液淬火的意义;掌握得好,可以有效地防止裂纹的产生

未能很好减小表里温差是此法的又一不足

分级淬火

将工件加热到淬火温度,保温后,取出置于温度略高(也可稍低)于Ms点的淬火冷却剂(盐浴或碱浴)中停留一定时间,待表里温度基本一致时,再取出置于空气中冷却

1.减小了表里温差,降低了热应力

2.马氏体转变主要是在空气中进行,降低了组织应力,所以工件的变形与开裂倾向小

3.便于热校直

4.比双液淬火容易操作

由于盐浴或碱浴中淬火冷却速度不够大,对于淬透性较低的钢,容易在分级过程中析出珠光体,故此法多用于形状复杂、小尺寸的碳钢和合金钢工件,如各种刀具。对于淬透性较低的碳素钢工件,其直径或厚度应小于10mm。为了克服这一缺点,生产中有采用Ms点以下的分级淬火,它的特点是第一段的冷却速度加大,适用于低淬透性钢而尺寸较大的工件,并能保证较小的内应力

等温淬火

将工件加热到淬火温度后,浸入一种温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中,保温足够的时间,使其发生下贝氏体转变后在空气中冷却

与其他淬火比:

1.淬火后得到下贝氏体组织,在相同硬度情况下强度和冲击韧性都高,如下表所示

2.一般工件淬火后可以不经回火直接使用,所以也无回火脆性问题,对于要求性能较高的工件,仍需回火

3.下贝氏体比容比马氏体小,减小了内应力与变形、开裂

1.由于变形很小,因而很适合于处理一些精密的结构零件,如冷冲模、轴承、精密齿轮等

2.由于组织结构均匀,内应力很小,显微和超显微裂纹产生的可能性小,因而用于处理各种弹簧,可以大大提高其疲劳抗力

3.特别对于有显著的第一类回火脆性的钢,等温淬火优越性更大

4.受等温槽冷却速度限制,工件尺寸不能过大

5.球墨铸铁件也常用等温淬火以获得高的综合力学性能,成功地用稀土镁钼球铁代替合金结构钢。一般合金球铁零件等温淬火有效厚度可达100mm或更高

(左表中水淬回火与分级淬火回火的比较数据是以含碳量0.95%的碳素钢,在同一淬火温度、同一回火温度条件下,试验取得的)

处理方法

硬度/HRC

ak/J·cm-2

δ/%

水淬火

回  火

53.0

16.6

 

52.5

19.4

 

分级淬火

回  火

53.0

38.7

0

52.8

33.2

0

等温淬火

52.0

62.2

11

52.5

55.3

8

喷雾淬火

工件加热到淬火温度后,将压缩空气通过喷嘴使冷却水雾化后喷到工件上进行冷却

可通过调节水及空气的流量来任意调节冷却速度,在高温区实现快冷,在低温区实现缓冷。可用喷嘴数量、水量实现工件均匀冷却

对于大型复杂工件或重要轴类零件(如汽轮发电机的轴),可使其旋转以实现均匀性冷却

将淬火后的工件重新加热到Ac1以下某一温度,保温一段时间,然后取出以一定方式冷却下来

常用回火方法如下

钢淬火后的组织是马氏体和部分残余奥氏体,处于亚稳定状态,回火是使其趋于稳定状态的处理。随着回火温度升高,硬度、强度下降,而塑性、韧性提高

回火的主要目的是:

1.降低脆性,消除内应力,减小工件的变形和开裂

2.调整硬度,提高塑性和韧性,获得工件所要求的力学性能

3.稳定工件尺寸

低温回火

回火温度为150~250℃

回火后获得了回火马氏体组织,但内应力消除不彻底,故应适当延长保温时间

目的是降低内应力和脆性,而保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性。主要用于各种工具、模具、滚动轴承和渗碳或表面淬火的零件

中温回火

回火温度为350~450℃左右

回火后获得屈氏体组织,在这一温度范围内回火,必须快冷,以避免第二类回火脆性

目的在于保持一定韧性的条件下提高弹性和屈服强度,故主要用于各种弹簧、锻模、冲击工具及某些要求高强度的零件,如刀杆等

高温回火

回火温度为500~680℃,回火后获得索氏体组织。淬火+高温回火称为调质处理,可获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能,并可使某些具有二次硬化作用的高合金钢(如高速钢)二次硬化,当处理有第二类回火脆性的钢时,需油冷。其缺点是工艺较复杂,在提高塑性、韧性同时,强度、硬度有所降低,目前在某些地方已可用形变热处理来代替调质处理,球铁等温淬火代替45钢调质

广泛地应用于各种较为重要的结构零件,特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴等。不但可作为这些重要零件的最终热处理,而且还常可作为某些精密零件如丝杆等的预先热处理,以减小最终热处理中的变形,并为获得较好的最终性能提供组织基础

调质钢淬火后马氏体含量与硬度值的关系

含碳量(质量分数)/%

马氏体含量(质量分数)/%

99.9

95

90

80

50

硬度/HRC

0.3

49~54

45~50

42~48

37~46

33~42

0.4

55~58.5

50~55.5

48~52

42~50

38~47

0.5

59~61

56~60

53~57

48~54

42~51

0.6

62~64

60~62

58~59.5

52~58

48~54

调质钢淬火、回火硬度关系的参考数据(适用于尺寸小于120mm的零件)

回火后要求的硬度/HRC

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

淬火后须达到的硬度/HRC

42.5

43

44

45

47

48.5

52

55

58

62

传统调质工艺是完全淬火加高温回火。淬火所得组织为马氏体,高温回火后为回火索氏体。此种显微组织提供了强度和韧性的良好配合。对亚共析结构钢采用完全淬火的理由是避免出现未熔铁素体

随着强韧化工艺的发展,发现对亚共析钢采用不完全淬火有助于在不降低材料强度的同时提高其韧性,即亚温淬火,亦即亚共析钢的不完全淬火,或称临界区淬火、两相区加热淬火。亚温淬火是指将具有平衡态或非平衡原始组织的亚共析钢加热至铁素体和奥氏体两相区保温一定时间后进行淬火、等温淬火的热处理,是一种新型的利用复相强韧化和组织细化的强韧化热处理工艺

采用亚温淬火可以大幅度提高钢的室温和低温韧性,降低冷脆转变温度,抑制可逆回火脆性,改善冷脆行为,防止变形开裂

解决油淬淬不透、水淬又开裂的大件淬火困难问题

亚温处理与常规调质处理性能对比

钢号

临界点/℃

热处理规范

HRC

ak

/J·cm-2

韧脆转变

温度/℃

Ac1

Ac3

22CrMnSiMo

800~860

860℃+575℃×2h回火

27.5

63.7

860℃+575℃×2h回火+785℃淬火+575℃×2h回火

24.4

97.8

35CrMo

755

800

860℃+575℃×2h回火

36.4

125.0

约60

800℃+575℃×2h回火+785℃淬火+550℃×2h回火

37.3

153.8

40Cr

743

782

860℃+630℃×2h回火

30.7

160.2

<20

860℃+600℃×2h回火+770℃淬火+600℃×2h回火

29.8

150.2

42CrMo

730

780

860℃+600℃×2h回火

36.0

122.5

860℃+600℃×2h回火+765℃淬火+600℃×2h回火

38.7

45

724

780

830℃+600℃×2h回火

17.0

149.8

830℃+600℃×2h回火+700℃淬火+600℃×2h回火

20.2

155.7

高温时效

加热略低于高温回火的温度,保温后缓冷到300℃以下出炉

时效与回火有类似的作用,这种方法操作简便,效果也很好,但是耗费时间太长

时效的目的是使淬火后的工件进一步消除内应力,稳定工件尺寸

常用来处理要求形状不再发生变形的精密工件,例如精密轴承、精密丝杆、床身、箱体等

低温时效实际就是低温补充回火

低温时效

将工件加热到100~150℃,保温较长时间(约5~20h)

将淬火后的工件,在0℃以下的低温介质中继续冷却到-80℃,待工件截面冷到温度均匀一致后,取出空冷

可使残余奥氏体全部或大部分转变为马氏体。因此,不仅提高了工件硬度、抗拉强度,还可以稳定工件尺寸

主要适用于合金钢制成的精密刀具、量具和精密零件,如量块、量规、铰刀、样板、高精度的丝杆、齿轮等。还可以使磁钢更好地保持磁性

类别

钢号

马氏体转变范围

残余奥氏体量/%

冷到Mf后的硬度增值/HRC

Ms/℃

Mf/℃

20℃时

冷到Mf

碳素工具钢

T7

300~255

-55

≤5

1

≤0.5

T8

255~230

-55

3~8

1~6

≤1.0

T9

230~210

-55

5~12

3~10

1.0~1.5

T10

210~175

-60

6~18

4~12

1.5~3.0

12

175~160

-70

10~25

5~14

3~4

合金工具钢

Cr06

150~140

-95

15~30

2~14

4~7

Cr

175~150

-85

10~27

5~14

2~4

7Cr2

280~230

-55

3~10

1~8

≤1.0

9Cr2

220~180

-70

6~18

4~13

1.0~2.5

Cr2

175~145

-90

10~28

5~14

3~6

7Cr3

240~185

-60

4~17

2~12

1.0~2.5

9SiCr

210~185

-60

6~17

4~12

1.5~2.5

CrWMn

155~120

-110

13~45

2~17

≤10

CrMn

120~100

-120

22~60

≤20

<5

滚动轴承钢

GCr15

180~145

-90

9~28

4~14

3~6

弹簧钢

60Mn、65Mn、70Mn

290~230

-55

≤8

≤6

≤1.0

合金

渗碳钢的

渗碳层

20Cr3

140~120

-100

17~40

≤15

≤10

15CrNi2

160~140

-95

12~30

3~14

4~7

13Ni5A、21Ni5A

120~100

-120

22~60

≤20

≤15

18CrNiWA

130~120

-120

20~45

≤15

≤10

冷处理(-183℃)对合金钢力学性能和耐磨性的影响

钢 号

力学性能

耐磨

性增

加/%

冷处理前

冷处理后

抗弯

强度

σb/MPa

挠度

f/mm

冲击值

ak/

J·cm-2

硬度

/HRC

磨损量/μm

抗弯

强度

σb/MPa

挠度f/mm

冲击值

ak/

J·cm-2

硬度

/HRC

磨损

/μm

12Cr2Ni4A

2177

2.60

153

58~59

5.75

1873

2.20

131

58~64

3.99

32

20CrMnTi

2471

2.95

33.5

57~58

2.85

2256

2.75

24

60~63

2.33

16

20CrNiMoA

2520

4.07

105

46~50

3.85

1824

2.90

72.7

60~61

2.38

38

20CrMnMo

1981

2.40

35

58.5~59.9

3.90

1736

1.68

18.2

60~61

2.45

37

试件尺寸为10mm×10mm×120mm;气体渗碳(渗碳层深度1.5mm)后直接淬火,150℃回火

表面热处理、化学热处理方法特点和应用

 

名称

操  作

特  点

应  用

 

表面热处理是通过改变零件表层组织,以获得硬度很高的马氏体,而保留心部韧性和塑性(即表面淬火),或同时改变表层的化学成分,以获得耐蚀、耐酸、耐碱性及表面硬度比前者更高(即化学热处理)的处理方法

 

用乙炔-氧或煤气-氧的混合气体燃烧的火焰,喷射到零件表面上,快速加热,当达到淬火温度后,立即喷水或用乳化液进行冷却

淬透层深度一般为2~6mm,过深往往引起零件表面严重过热,易产生淬火裂纹。表面硬度钢可达65HRC,灰铸铁为40~48HRC,合金铸铁为43~52HRC。这种方法简便,无需特殊设备,但易过热,淬火效果不稳定,因而限制了它的应用

适用于单件或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件,如大型轴类、大模数齿轮等

常用钢材为中碳钢,如35、45及中碳合金钢(合金元素<3%),如40Cr、65Mn等,还可用于灰铸铁件、合金铸铁件。碳含量过低,淬火后硬度低,而碳和合金元素过高,则易碎裂,因此,以含碳量在0.35%~0.5%之间的碳素钢最适宜

 

感应

加热

表面

淬火

将工件放入感应器中,使工件表层产生感应电流,在极短的时间内加热到淬火温度后,立即喷水冷却,使工件表层淬火,从而获得非常细小的针状马氏体组织

根据电流频率不同,感应加热表面淬火,可以分为:

1.高频淬火:100~1000kHz

2.中频淬火:1~10kHz

3.工频淬火:50Hz

1.表层硬度比普通淬火高2~3HRC,并具有较低的脆性

2.疲劳强度、冲击韧性都有所提高,一般工件可提高20%~30%

3.变形小

4.淬火层深度易于控制

5.淬火时不易氧化和脱碳

6.可采用较便宜的低淬透性钢

7.操作易于实现机械化和自动化,生产率高

8.电流频率愈高,淬透层愈薄。例如高频淬火一般1~2mm,中频淬火一般3~5mm,工频淬火能到≥10~15mm

缺点:处理复杂零件比渗碳困难

常用中碳钢(0.4%~0.5%C)和中碳合金结构钢,也可用高碳工具钢和低合金工具钢,以及铸铁

一般零件淬透层深度为半径的1/10左右时,可得到强度、耐疲劳性和韧性的最好配合。对于小直径10~20mm的零件,建议用较深的淬透层深度,即可达半径的1/5,对于截面较大的零件可取较浅的淬透层深度,即小于半径1/10以下。参见下表

 

工作条件及

零件种类

淬透层深

度/mm

采用材料

采用设备

 

承受扭曲,压力载荷的零件,如曲轴、(m=5~8mm)齿轮、磨床主轴等

3~5

45、40Cr、65Mn、9Mn2V

球墨铸铁

8000Hz

中频

发电机

 

承受扭曲、压力载荷的大型零件,如冷轧辊等

≥5~15

9Cr2Mo、9Cr2W、GCr15

工频

设备

 

工作条件及

零件种类

淬透层

深度/mm

采用材料

采用

设备

 

工作于摩擦条件下的零件,如m<4mm的齿轮,<f 50mm的轴类等

1.5~2

45、40Cr、

42MnVB

电子管式

高频设备

 

承受变向载荷的零件

(0.1~0.15)D(D为零件直径)

 

感应加热设备频率

与淬硬层深度的关系

材料

加热温度

/℃

工频/Hz

中频/kHz

超音频/kHz

高频/kHz

 

频  率

 

50

1

2.5

8

35

55

150

250

500

 

淬硬层深度/mm

 

钢铁

880~900

最小值

17

3.5

2.5

2

1.5

1

0.5

0.3

 

最大值

70

16

15

8

4

3

2.5

2.5

 

最佳值

34

8

6

1~3

2.5

2

1.5

1~1.5

0.8

 

黄铜

850

一般值

25

6

4

2

1.1

0.8

0.5

0.4

0.27

 

600

一般值

24

5.4

3.4

1.7

0.84

0.66

0.42

0.34

0.24

 

备注:淬硬层深度约为电流透入深度的1/2为最佳。淬硬层深度应大于电流透入深度的1/4。

 

表面淬火、普通淬火后

碳钢的疲劳强度比较

含碳量

/%

热处理方法

扭转弯曲疲劳强度

/MPa

365

硬度比较

 

0.33

高频表面淬火

火焰表面淬火

电炉内整体加热淬火

600

350

90

 

0.41

高频表面淬火

电炉内整体加热淬火

正火

600

110

130

 

0.63

高频表面淬火

火焰表面淬火

电炉内整体加热淬火

360

390

150

 

电接

触加

热表

面淬

利用低电压大电流,通过滚轮在工件表面滚动,使表面有大电流通过,靠接触电阻加热表面到淬火温度,滚轮(电极)移去后,靠自身冷却淬火

1.工件变形极小,不需回火

2.淬硬层薄,仅0.15~0.35mm

3.工件淬硬层金相组织、硬度不均匀

4.设备简单,操作方便

多用于大型铸铁件,如机床导轨、汽缸套等,以提高其耐磨性,改善抗摩擦能力

形状复杂工件不宜采用

脉冲

表面

淬火

用脉冲能量加热可使工件表面以极快速度(1/1000s)加热到临界点以上,然后冷却淬火

1.由于加热冷却迅速,工件组织极细,无淬火变形,无氧化膜

2.淬火后不需回火

3.淬火层硬度高950~1250HV

用于导热率高的钢种,高合金钢难于进行这种淬火。用于小型零件如木材、金属切削工具、照相机、钟表等机器易磨损件

激光

表面

淬火

应用激光束可获得高达108W/cm2的能量密度,使工件表面极快速加热,并利用工件本身散热冷却淬火

为了提高工件表面对激光吸收率,应对被加热的表面进行“表面黑化处理”,所用涂料有粉状金属氧化物、胶质状石墨粉、普通墨汁、碳黑及锌和镁的磷化物等

加热速度非常快,并可靠自身冷却淬火;对形状复杂表面如微孔、沟槽拐角、盲孔等均可处理;应力和变形极小,表面光洁,无需再精加工

是一种可进行表面选择性局部硬化处理及局部表面合金化的多功能工艺方法

电子

束热

处理

利用电子枪发出电子束打击金属表面,使之极快达到淬火温度,之后自身冷却淬火。被处理工件的加热深度是加速电压和金属密度的函数

工件变形极小,无需后续的校正工作,淬火后的金相组织可获细晶结构,由于(表面)淬火是在真空中进行,所以淬火时,几乎无表面氧化

凡激光能处理的表面都能用电子束来加热,且不需“表面黑化处理”过程

此法可广泛应用于凸轮、透平叶轮、曲轴、阀座、球窝接头和偶合件等的热处理

化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温,使一种或几种元素渗入其表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理

 

将工件放入渗碳介质中,在900~950℃加热,保温,使钢件表层增碳的过程。渗碳后,必须淬火,使表面得到马氏体,才能实现渗碳的目的

渗碳分固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。气体渗碳生产率高,劳动条件较好,渗碳质量容易控制,并易于实现机械化和自动化,目前正逐步取代固体渗碳

当渗碳零件有不允许高硬度的部位,可采取镀铜的方法来防止渗碳或者采取多留加工余量的方法

1.零件经渗碳热处理后的最终组织,其表面为针状回火马氏体及二次渗碳体,硬度为58~65HRC,而心部组织随钢种不同呈低碳马氏体、屈氏体和索氏体等组织,其硬度在20~45HRC之间变动,重载荷零件不低于30HRC(合金钢)

2.渗碳层深度可达4~10mm,渗碳层硬度分布曲线比渗氮层硬度分布曲线要平缓,所以受到冲击时,不易剥落

3.具有较高的抗弯曲疲劳性能

4.表面耐磨性或心部抗冲击性能,都较中碳钢表面淬火后的零件为高

5.获得均匀的硬化层,几乎不受零件形状复杂程度的限制;表面淬火则较困难

渗碳的目的是提高钢表层的硬度和耐磨性而心部仍保持韧性和高塑性

通常采用含碳量为0.15%~0.25%的低碳钢及低合金钢,但对大截面的零件或中心部分要求较高的强度及承受重载荷的零件均采用含碳量为0.2%~0.3%的钢材进行渗碳

渗碳层深度随零件的具体尺寸及工作条件的要求而定,太薄易引起表面疲劳剥落,太厚则受不起冲击,一般常采用0.5~2.5mm。可按载荷情况近似参考下表选取(要求耐磨性大)

载荷

较大

超重

渗碳层深度/mm

<0.5

0.5~1.0

1.0~1.5

>1.5

渗碳层表面硬度应不低于56HRC,对于用合金钢制造的重要零件应不低于60HRC

为了保证渗碳后零件的性能,渗碳层的含碳量最好在0.85%~1.05%

模数大于4mm、齿宽大于直径的重载荷圆柱齿轮和圆弧齿轮,或模数在5~8mm的重载荷直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮等,因为表面淬火不能获得均匀分布的淬透层,而采用渗碳淬火

几种典型零件

的渗碳层深度

机床齿轮模数/mm

汽车、拖拉机齿轮模数/mm

1~1.25

1.5~1.75

2~2.25

3

3.5

4~4.5

5

>5

2.5

3.5~4

4~5

>5

渗碳层深度/mm

0.3~0.5

0.4~0.6

0.5~0.8

0.6~0.9

0.7~1.0

0.8~1.1

1.1~1.5

1.2~2

0.6~0.9

0.9~1.2

1.2~1.5

1.4~1.8

厚度小于1.2mm

的摩擦片、样板等

厚度小于2mm的摩

擦片、样板、离合器等

轴、套筒、活塞、

支承销、离合器等

主轴、套筒、

大型离合器等

镶钢导轨、大轴、

大模数齿轮等

渗碳层深度/mm

0.2~0.4

0.4~0.7

0.7~1.1

1.1~1.5

1.5~2

将工件放在渗氮气氛中,加热到500~600℃,使工件表面渗入氮原子形成氮化物的过程

为了保证工件心部的力学性能,氮化前应进行调质等热处理

1.工件氮化后,不再需要淬火便具有很高的表面硬度(约1100~1200HV)及耐磨性,而且具有高的热硬性,在550℃时,硬度仍有915~925HV,在600℃时,硬度仍有850~870HV

2.显著提高了钢的疲劳强度,经常可提高25%~32%

3.处理温度低,变形极小,比渗碳及表面淬火的变形小得多,渗氮后,一般只需精磨或研磨抛光即可

4.具有较高的抗腐蚀性。使工件在大气、自来水、热蒸气和弱碱溶液等介质中不受腐蚀

缺点:1.渗氮时间太长;2.强化渗氮必须采用特殊的合金钢

另外,由于氮的渗入,工件还略有“长大”现象。在设计尺寸要求极严格的工件时,应考虑补救

渗氮的目的是提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度(实现这两个目的的为强化渗氮)以及抗蚀能力(抗蚀渗氮)

强化渗氮用钢通常是含Al、Cr、Mo等合金元素的钢,如38CrMoAlA(目前专门用于渗氮的钢种),其他如40Cr、35CrMo、42CrMo、50CrV、12Cr2Ni4A等钢种也可用于渗氮。用Cr-Al-Mo钢渗氮得到的硬度比Cr-Mo-V钢渗氮的高,但其韧性不如后者

抗蚀渗氮常用材料是碳钢和铸铁

渗氮广泛用于各种高速传动精密齿轮,高精度机床主轴,如镗杆、磨床主轴;在变向载荷工作条件下要求很高疲劳强度的零件,如高速柴油机及要求变形很小和在一定抗热、耐蚀工作条件下耐磨的零件,如发动机的汽缸、阀门等

渗氮层厚度根据渗氮工艺性和使用性能,一般不超过0.6~0.7mm

渗氮层的脆性分为四级,允许使用范围,如下表

等级

性质

等级

性质

允许使用范围

等级

性质

允许使用范围

等级

性质

允许使用范围

不脆

略脆

在一切场合下均可使用

磨削表面许可

极脆

不许使用

几种零件渗氮层深度

工件

材料

温度/℃

时间

/h

渗氮层深度

/mm

表面硬度

工件

材料

温度/℃

时间

/h

渗氮层深度

/mm

表面硬度

汽缸筒

38CrMoAlA

Ⅰ.510±10

Ⅱ.560±10

Ⅲ.560±10

20

34

3

0.5~0.75

≥750HV

齿轮

40Cr

510±5

55

0.55~0.60

77~78

HRA

42CrMo

Ⅰ.500±5

Ⅱ.530±5

53

5

0.39~0.42

493~599

HV

螺杆

Ⅰ.495±5

Ⅱ.525±5

63

5

0.58~0.65

974~

1026HV

弹簧

50CrV

430±10

25~30

0.15~0.3

 

小齿轮、垫圈等

   

0.35~0.4

 

较大模数齿轮、轴

38CrMoAlA

0.45~0.60

 

是利用稀薄的含氮气体的辉光放电现象进行的。气体电离后所产生的氮、氢正离子在电场作用下向零件移动,以很大速度冲击零件表面,氮被零件吸附,并向内扩散形成氮化层

氮化前应经过消除切削加工引起的内应力的人工时效,时效温度低于调质回火温度,高于渗氮温度

与一般渗氮比较:生产周期短,仅为气体渗氮的1/2~1/5;氮化层质量好,脆性低;变形小,可不留磨量或少留磨量;采用简单的机械屏蔽方法,就可实现局部氮化,可省去镀锡或镀镍;不锈钢、耐热钢离子氮化不需预先去除钝化膜,可省去喷砂、酸洗等辅助工序;省电、省氨气、无公害、操作条件好

缺点是零件形状复杂或截面悬殊时很难同时达到同一的硬度和深度

基本上适用于所有的钢铁材料。但含有Al、Cr、Ti、Mo、V等合金元素的合金钢离子氮化后比碳钢离子氮化后的表面硬度较高

多用于精密零件,以及一些要求耐磨而该种材料(如不锈钢)用其他处理方法又难于达到高的表面硬度的零件,例如磨床主轴、燃油泵螺旋长齿轮、万能工具铣床长齿轮(外径f100mm,长222mm)、发动机排气阀、不锈钢转子外圈、不锈钢螺母内燃机车合金铸铁缸套,以及细长管件(内径15mm,长1m左右)内壁氮化等。下面介绍几种常用材料离子氮化效果,供参考

材料

预先

热处理

离子氮化效果

材料

预先

热处理

离子氮化效果

表面硬度

HV5

渗层深度

/mm

表面硬度

HV5

渗层深度

/mm

45

正火

250~400

0.06

5CrNiMo

调质41HRC

600~750

0.20~0.40

T10

球化退火

200~300

0.06

GCr15

淬火+回火

38HRC

550~650

0.20~0.40

20Cr

正火

600~750

0.20~0.50

CrWMn

退火

350~550

0.20~0.40

调质

450~650

20CrMnTr

正火

650~800

0.20~0.50

淬火+回火

880~950

0.10~0.25

18Cr2Ni4WA

调质

600~800

0.20~0.50

W18Cr4V

淬火+回火

65HRC

1000~1300

0.02~0.10

40Cr

正火

500~700

0.20~0.50

调质

500~650

2Cr13

调质

950~1200

0.10~0.30

42CrMo

调质

550~700

0.20~0.50

1Cr18Ni9Ti

固溶

950~1200

0.08~0.15

38CrMoAlA

调质

950~1200

0.30~0.60

4Cr9Si2

淬火+回火

31HRC

950~1200

0.10~0.30

25Cr3Mo3VNb

调质

1000~1150

0.15~0.30

3Cr2W8

球化退火

650~900

0.15~0.30

4Cr14Ni14W2Mo

 

700~1050

0.06~0.12

淬火+回火45~47HRC

1000~1200

0.10~0.25

HT200-40

铸态

300~500

0.10~0.30

QT600-3

正火

400~700

0.10~0.30

Cr12MoV

退火

850~950

0.10~0.20

TC4(钛合金)

退火

850~1600

HV0.05

0.05~0.20

淬火+回火60HRC

1000~1200

TA7(钛合金)

退火

1000~1800

HV0.05

0.05~0.20

1.碳钢渗氮后,表面硬度不高,但从共析温度(590℃)以上渗氮急冷淬火后的表面硬度可达1100HV

2.渗氮层深度在0.3mm左右时,处理时间为6~12h;深度超过0.3mm,处理时间则需较大延长

3.38CrMoAlA等含铝钢渗氮后留磨量<0.10mm,其他不含铝的合金结构钢渗氮后留磨量<0.05mm

4.表面硬度与预先热处理有关,一般正火态比调质态的高;淬火后的回火温度愈低,原始组织硬度愈高,渗氮后的表面硬度也愈高

5.为降低脆性,高速钢宜采用浅层(0.01~0.025mm)渗氮

向工件表面同时渗碳和渗氮的方法

碳氮共渗分气体碳氮共渗、液体碳氮共渗和固体碳氮共渗

按加热温度还可分高温碳氮共渗、中温碳氮共渗和低温碳氮共渗

液体碳氮共渗有毒,已很少采用

非共渗部位的防护,通常采用镀铜。但要求铜层较渗碳用的厚而且更致密一些

低温碳氮共渗(软氮化)(500~600℃)以渗氮为主,共渗后一般空冷即可

中温碳氮共渗(氰化)(800~860℃)以渗碳为主,共渗后要淬火及低温回火

与渗碳相比:

1.共渗层的硬度(约1000HV)比渗碳层略高,并能保持到较高的温度,耐磨性也比渗碳层高

2.抗蚀性高

3.具有较高的疲劳强度

4.零件变形小

5.生产周期比渗氮更短

6.中、高温氰化表面组织应为氮碳化物的马氏体和屈氏-马氏体,低碳钢高温碳氮共渗组织与渗碳的相似,由共析和亚共析层组成。碳钢的过渡层为屈氏体-索氏体

碳氮共渗的目的是:提高零件表面的硬度、耐磨性和抗蚀性;提高疲劳强度

低温碳氮共渗(以渗氮为主)主要是为了提高合金工具钢、高速钢制工具、刀具的热硬性、耐磨性,这种碳氮共渗的结果与渗氮相似,共渗层深度可达0.02~0.06mm

中温碳氮共渗主要适用于一般承受压力不很大而只受磨损的中碳结构钢零件。共渗层深度一般为0.3~0.8mm

高温(900~950℃)碳氮共渗(以渗碳为主)主要用于承受压力很大的中碳钢及合金钢的小型结构零件,也可用于低碳钢件代替渗碳,能获得1~2mm的共渗层;中温或高温碳氮共渗用于提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能

目前,气体氮共渗已广泛应用于汽车、拖拉机齿轮及各种标准件的表面强化处理上。汽车调质钢齿轮共渗层深度:轻型汽车0.15~0.25mm;载重汽车0.25~0.35mm

QPQ或无公害盐浴复合处理

国外也称无公害盐浴氮碳共渗

清洗→预热→氮化→氧化→清洗→浸油

369

1.盐浴复合处理后的工件(未淬火)的耐磨性远远高于高频淬火、渗碳淬火的工件

2.可使调质的45钢疲劳强度提高40%以上

3.QPQ处理后的工件的抗蚀性比发黑高几十倍到几百倍,比镀硬铬高几倍到十几倍,甚至远远高于镀装饰铬和不锈钢

4.可代替很多零件的高频淬火或渗碳淬火-回火-发黑或镀硬铬三道工序,大大节能

1.适用于各种结构钢、工具钢、不锈钢、铸铁和粉末冶金件

2.可以大量替代渗碳淬火、高频淬火、易变形件的淬火,代替发黑,镀硬铬、镀装饰铬和某些不锈钢件

3.适用于汽车、机车、柴油机、纺织机械、农业机械、机床、齿轮、枪炮、工具、模具等各种要求耐磨、耐蚀、耐疲劳的零件

例如,已淬火的高合金工模钢处理后的寿命可以提高1~3倍

渗铝

以铝渗入钢或铸铁表面,形成铝铁化合物或固溶体的过程。目前采用较广的渗铝方法有:

1.固体渗铝

2.镀层扩散渗铝

3.熔融铝渗铝

渗铝件在850℃下工作具有良好的抗氧化能力。高于800℃时的抗氧化性能优于渗铬

低碳钢管渗铝后,能耐高温氧化和抗硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、碳酸、硝酸、液氮、水煤气的腐蚀。特别抗硫化氢腐蚀的能力更为显著

渗铝的目的是为了提高钢或铁在高温下的抗氧化性能

常用低碳钢和中碳钢渗铝来代替高合金的耐热钢和耐热合金。可用在800~900℃要求有较高的抗氧化性能的零件。渗铝层深度一般为0.1~1.0mm。近来对于具有相当高的抗高温氧化性能的铁基或铁-镍基高温合金(耐热钢)也采用渗铝,进一步提高高温抗氧化性能。渗铝层深度一般为0.01~0.04mm

渗铝钢管适用于石油、化工、化肥、冶金等方面的管道及容器

渗铬

向工件表面渗铬,形成一层结合牢固的铬-铁-碳的合金层的过程。渗铬方法有:

1.固体渗铬

2.气体及半气体渗铬

3.液体渗铬

渗铬零件具有耐蚀、抗氧化、耐磨和较好的抗疲劳性能,兼有渗碳、渗氮和渗铝的优点

渗层深度视材料不同在0.02~0.30mm之间,一般地说,含碳量越高,渗层越浅

高碳钢渗铬渗层深度仅0.012~0.038mm,硬度约1300HV以上,但脆性大,耐磨,耐酸、碱,耐高温(≤800℃)、耐锈蚀

低碳钢渗铬,表面硬度约为200~300HV,富延展性,可以进行冷变形而不开裂,还可施焊。其耐磨蚀性能与高铬不锈钢相似

渗铬在全面提供工件保护性能方面较为突出,不仅有效地应用在化学、冶金等工业代替铬不锈钢,而且也用来保护要求抗腐蚀的精密零件。目前喷气发动机上非铁基合金涡轮机叶片、钼制导弹头也用渗铬来提高其表面抗摩擦和抗氧化的能力

选用渗铬工件用钢时,必须根据用途,考虑采用具有适当碳含量及其合金元素含量的钢种,以便得到合适的渗铬层深度和要求的性能。如液体渗铬,温度在950~1000℃,加热4h,渗铬层深度:低碳钢10约为0.07~0.19mm;中碳钢45约为0.02~0.12mm;高碳钢T10约为0.02~0.07mm

向工件表面渗硼的过程。渗硼可分固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼、膏糊渗硼等几种,目前国内应用较多的是液体盐溶渗硼

渗硼零件具有高的硬度(1400~1800HV),高的耐磨性和好的红硬性(800℃以下硬度不降低),并在盐酸、硫酸和碱内具有抗蚀性。而其内部还保持一定的塑性和韧性

应用在腐蚀条件下工作的零件,例如石油、采矿工业中的高压阀门闸板,煤、水泵的密封套,泥浆泵和深井泵的缸套、活塞杆等

渗铬层薄,而且渗层的硬度梯度太陡,容易造成渗层剥落。渗层深度一般为0.1~0.15mm

钢在不同条件下渗硼所得渗层深度参见下表

渗硼条件

钢的主要化学成分/%

温度/℃

时间/h

C0.03

C0.54

C0.40,Cr0.95

C0.04,V1.12

C0.05,Ti1.07

C0.27,Cu1.85

C0.20,Ni12

900

20

0.22

0.18

0.12

0.10

0.10

0.18

900

40

0.32

0.26

0.21

0.18

0.11

0.23

0.30

1000

20

0.45

0.26

0.28

0.23

0.18

0.45

0.50

将工件置于含硫介质中,以低温、中温、高温的适当温度,使硫渗入工件表面,以形成FeS层

渗硫层硬度虽不高,但减摩作用很好,主要目的是减摩,提高抗咬合能力

适于刀具的补充处理,以及钢和铸铁制的耐磨、抗咬合零件,如汽轮机凸轮轴、汽车及机床齿轮,冷冲模、缸套、滑动轴承等

硫氮

共渗

向工件表面同时渗入硫和氮而形成硫化物(深度<0.01mm)及氮化物(深度为0.01~0.03mm)的化学热处理工艺。主要目的是减摩,提高抗咬合能力、耐磨性及抗疲劳性

适用于碳钢、合金钢、高速钢制的工模具、缸套等,以提高其表面硬度(300~1200HV)、抗咬合能力、耐磨性及疲劳强度

硫碳

氮共

向工件表面同时渗入硫、碳、氮而形成深度<0.01mm的硫化物和0.01~0.03mm深的碳氮化合物层的化学热处理工艺

有固体粉末法、液体熔盐法、气体法等工艺方法

适用于碳钢、合金钢、高速钢制的工模具(如铝型材挤压模等)、缸套等,以使工件表面获得高的硬度(600~1200HV),耐磨性、抗咬合和抗擦伤能力以及疲劳强度

注:QPQ由成都工具厂提供资料。

形变热处理方法、特点和应用

原 理

形变热处理是将塑性变形和热处理结合(合理地综合运用形变强化与相变强化),以提高工件的力学性能的复合工艺

其原理是用形变的方法给金属中引进大量的位错①,再用热处理方法将这些位错牢固地钉扎起来,使金属得到包含大量难于移动的位错的相当稳定的组织状态,从而达到更高的强度及塑性(韧性)

名称

操  作

特  点

应  用

   

将钢加热至奥氏体状态保持一定时间,急速冷却至Ac1以下(低于奥氏体再结晶温度)而高于Ms的某一中间温度,进行形变然后淬火得到马氏体组织的综合处理工艺称为亚稳奥氏体形变淬火或低温形变淬火

b1d6d6a

与普通淬火处理相比:①低温形变淬火能在塑性基本保持不变的情况下提高抗拉强度300~700MPa,有时甚至能提高1000MPa。例如,VascoMA钢经普通热处理后抗拉强度为2200MPa,屈服强度为1950MPa,断后伸长率为8%,低温形变淬火处理后则分别达到3200MPa、2900MPa和8%。②能提高其高温力学性能,从下图可见,低温形变淬火钢在593℃下的抗拉强度比普通淬火钢在482℃下的抗拉强度还高,在538℃的高温抗拉强度与普通淬火钢的常温抗拉强度相当。③低温形变淬火对钢的冲击性能的影响规律尚无统一认识。④适当规范低温形变淬火可适当提高结构钢的疲劳性能

b1d6d6b

高强度零件,如飞机起落架、火箭蒙皮、高速钢刀具、模具、板簧、炮弹及穿甲弹壳

低 温 形 变 热 处 理

                            低 温 形 变 淬 火

低温形变淬火钢的力学性能

钢   种

低温形变淬火

抗拉强度σb/MPa

屈服强度σ0.2/MPa

断后伸长率δ/%

形变温度/℃

形变量(体积分数)/%

回火温

度/℃

低温形

变淬火

普通

热处理

低温形

变淬火

普通

热处理

低温形

变淬火

普通

热处理

VascoMA

590

91

570

3200

2200

2900

1950

8

8

V63(0.63C-3Cr-1.6Ni-1.5Si)

540

90

100

3200

2250

2250

1700

8

1

V48(0.48C-3Cr-1.6Ni-1.5Si)

540

90

100

3100

2400

2100

1550

9

5

D6A

590

71

3100

2100

2300

1650

6

10

A41(0.41C-2Cr-1Ni-1.5Si)

540

93

370

3750

2750

1800

A47(0.47C-2Cr-1Ni-1.5Si)

540

93

315

3750

2750

1900

H11

500

91

540

2700

2000

2450

1550

9

10

Halcomb 218

480

50

2700

2000

2100

1600

9

4.5

B12(0.4C-5Ni-1.5Cr-1.5Si)

540

75

2700

2200

1950

1750

7.5

2

LabelleHT

480

65

2600

1900

2450

1700

5

6

A31(0.31C-2Cr-1Ni-1.5Si)

540

93

370

2600

2600

1600

A26

540

75

2600

2100

1900

1800

9

0

SuperTricent

480

65

2400

2200

2100

1800

10

6

AISI4340

840

71

100

2200

1900

1700

1600

10

10

12Cr不锈钢

430

57

1700

1400

13

12Cr-2Ni

550

80

430

1650

1280

1400

1000

15

21

12Cr-85Ni-0.3C

310

90

1800

420

24Ni-0.38C

100

79

150

1750

1350

25Ni-0.005C

260

79

980

840

34CrNi4

85

2880

2970

12

2

40CrSiNiWV

85

2760

2000

2260

1660

5.9

5.5

40CrMnSiNiMoV

85

2800

2110

2250

1840

7.1

8.0

En30B

450

46

250

1820

1520

1340

1070

16

18

各种处理方式对不同碳含量的

Cr5Mo2SiV钢冲击韧度的影响

b1d6d6c

钢的疲劳比(σ-1/σb)与抗拉强度σb之间的关系

b1d6d6d

H-11钢低温形变淬火和普通淬火、

回火的应力-循环曲线

b1d6d6e

名 称

操 作

特 点

应 用

低温形变等温淬火

钢在奥氏体化后急冷至最大转变孕育区(500~600℃),施行形变后在贝氏体区等温淬火

在保持较高韧性的前提下,提高强度至2300~2400MPa

热作模具

等温形变淬火

在等温淬火的奥氏体-珠光体或奥氏体-贝氏体转变过程中形变

提高强度,显著提高珠光体转变产物的冲击韧性

适合于等温淬火的小零件,如小轴、小模数齿轮、垫片、弹簧、链节等

连续冷却形变处理

在奥氏体连续冷却转变过程中施行形变

可实现强度与韧性的良好配合

适用于小型精密耐磨、抗疲劳件

诱发马氏体的低温形变

对奥氏体钢施行室温或更低温度的形变(一般为轧制),然后时效

在保证韧性的前提下提高强度

18-8型不锈钢,PH15-7Mo过渡型不锈钢以及TRIP钢

珠光体低温转变

钢丝奥氏体化后在铅浴或盐浴中等温淬火得到细珠光体组织,再施行超过80%形变量的拔丝

使珠光体组织细化、晶粒畸变。冷硬化显著提高强度

制造钢琴丝和钢缆丝

马氏体(回火马氏体、贝氏体)形变时效

对钢在回火马氏体或贝氏体态施行室温形变,最后200℃回火

使屈服强度提高3倍,冷脆温度下降

低碳钢淬成马氏体,室温下形变,最后回火

预形变热处理

钢材室温形变强化,中间软化退火,然后快速淬火、回火

提高强度及韧性,省略预备热处理工序

适用于形状复杂、切削量大的高强钢零件

晶粒多边化强化

钢材于室温或较高温度施行小形变量(05%~10%)形变,于再结晶温度加热,使晶粒成稳定多边化组织

提高高温持久强度和蠕变抗力

锅炉紧固件、汽轮机或燃气轮机零件

名称

项目

低温形变淬火

高温形变淬火

项 目

低温形变淬火

高温形变淬火

 

低温形变热处理

高温形变淬火与低温形变淬火的比较

对钢材要求

过冷奥氏体需有较高稳定性

无特殊要求

显微组织特征

缺陷(位错)密度大但稳定性较小,多均匀分布在晶内

缺陷密度小但稳定性较大,可按多边化机构形成网络式位错结构

 

只适用于中、高合金钢

碳钢、低合金钢亦可

 

在形变设备能力许可下对载荷无尺寸要求

适用较小截面零件及型材,截面过大则形变时因内热而引起再结晶,影响强化效果

晶界结构无特殊变化

晶界常呈锯齿状

 

马氏体细化

程度较大

程度较小

 

碳化物析出

存在

存在

 

高温形变热处理

形变温度

Ac1的亚稳奥氏体区域,通常在奥氏体再结晶温度以下,原子扩散及缺陷运动较慢

Ac3的稳定奥氏体区域,通常在奥氏体再结晶温度之上,原子扩散及缺陷运动较快

 

点阵缺陷及其结构

密度较大

密度较小

 

均匀分布在晶内

大部分以多边化方式构成亚晶界

 

稳定性较小

稳定性较大

 

形变前的预冷

奥氏体化后需在特殊设备中快速预冷至形变温度

不需要特殊预冷设备,奥氏体化后可在空气中冷却至形变温度

晶界状态

难形成锯齿状晶界

可形成锯齿状晶界

 

强度

提高较多

提高较少

 

有效强化时的形变量

一般大于60%,常为75%~90%

一般较小,为20%~50%

塑性

变化不大或略有降低

改善较多

 

形变速度

对形变速度没有限制,在过冷奥氏体稳定区内可以尽量减小形变速度

形变速度不能过小,否则再结晶现象严重

韧性

略有增减

提高较显著

 

冷脆性

脆性转变温度变化不大

脆性转变温度下降

 

可逆回火脆

略有抑制

消除可逆回火脆

 

形变设备及工艺安排

形变抗力高,需能力较大的压力加工

设备

形变抗力小,普通压力加工设备即可满足要求

不可逆回火脆

无甚影响

减弱不可逆回火脆

 

断裂韧度

尚无定论

显著提高

 

脆断强度

影响不大

显著提高

 

需要设计专门的生产流程

可在压力加工生产线中直接插入淬火、回火工序

缺口敏感性

影响不大

显著提高

 

疲劳性能

提高较少

提高较多

 

热强性

多数情况使之降低

可提高短期热强性

 

名称

操作

特点

应用

高 温 形 变 热 处 理

高温形变淬火

将钢加热至稳定奥氏体区保持一段时间,在该温度下形变,随后进行淬火以获得马氏体组织的综合处理工艺称为稳定奥氏体形变淬火或高温形变淬火。例如,精确控制终锻和终轧温度,利用锻、轧余热直接淬火,然后回火

b1d6d6f

高温形变淬火辅以适当温度的回火能有效地改善钢材的性能组合,即在提高强度的同时,大大改善其塑性和韧性。如高温形变淬火可提高钢材的裂纹扩散功、冲击疲劳抗力、断裂韧度、疲劳破断抗力、延迟破断裂纹扩展抗力、磨损抗力、接触疲劳抗力(尤其是在超载区)等,从而增加钢件使用的可靠性

它还可降低钢材脆性转变温度及缺口敏感性,在低温破断时呈韧性断口

它对钢材无特殊要求,一般碳钢、低合金钢均可应用

它的形变温度高,形变抗力小,因而在一般压力加工(轧、锻)条件下即可采用,并且极易安插在轧制或锻造生产流程之中与低温形变淬火相比,高温形变淬火的缺点有:因形变通常是在奥氏体再结晶温度以上的范围内进行的,因而强化程度一般不如低温形变淬火的大;这种工艺适宜在截面较小的材料上进行,否则会因产生大量内热而使再结晶发展,严重影响强化效果

提高强度10%~30%;改善韧性、疲劳抗力、回火脆性、低温脆性和缺口敏感性

高温形变淬火由于能使钢材得到较高的强韧化组合效果以及工艺上极易进行,近年来发展得非常迅速,甚至具有比低温形变淬火更为广阔的前途

适用于加工量不大的碳钢和合金结构钢零件,如连杆、曲柄、叶片、弹簧、农机具及枪炮零件

高温形变淬火钢的力学性能

钢  种

高温形变热处理工艺

σb/MPa

σs/MPa

δ/%

形变量

/%

形变温

度/℃

回火温

度/℃

高温形

变淬火

普通

淬火

高温形

变淬火

普通

淬火

高温形

变淬火

普通

淬火

50CrNi4Mo

90

900

100

2700

2400

1900

1750

9

6

50Si2W

50

900

250

2610

2230

2360

1980

6

4

55Si2MoV

50

900

250

2580

2300

2330

2080

6

5

60Si2Ni3

50

950

200

2800

2250

2230

1930

7

5

M75(俄钢轨钢)

35

1000

350

1750

1300

1500

800

6.5

4

Mn13

45

1050

1150

1040

430

447

53.3

53.3

45CrMnSiMoV

50

900

315

2100

1875

8.5

7

20

20

200

1400

1000

1150

850

6

4.5

20Si2

40

200

1350

1100

1000

800

11

5

40

40

200

2100

1920

1800

1540

5

5

40Si2

40

200

2280

1970

1750

1400

8

3

60

20

200

2330

2060

2200

1500

3.5

2.5

Q235(A3,Cr3)

30

940

690

635

350

45CrMnSiNiWTi

40

800~820

100

2410

2100

2160

2000

5

4

20CrMnSiWTi

50

800

1760

1520

1560

1340

7.8

8.3

45CrNi

50

950

250

1970

1740

8.2

4.5

18CrNiW

60

900

100

1450

1150

AISI,SAE4340

40

845

95

2250

2230

1690

1470

10

9

55CrMnB

25

900

200

2400

1800

2100

4.5

1

40Cr2Ni4SiMo

60

2500

2000

1900

1350

13

8

47Cr8

75

200

2420

1650

2200

1520

8

3.5

55Si2

15~20

300

2220

1820

2010

1750

50SiMn

15~20

300

2040

1750

1760

1540

40CrSiNiWV

85

200

2370

2000

2150

1660

8.1

5.9

40Cr2NiSiMoV

95

200

2300

1910

2140

1590

9.1

6.4

40CrMnSiNiMoV

85

200

2200

1960

1750

1530

10.5

8.3

55Cr5NiSiMoV

85

250

2280

2110

1990

1840

9.0

7.1

名称

操  作

特  点

应  用

                         高温形变热处理

锻热淬火

锻热淬火是在热锻成形后立即淬火,以获得淬火组织的一种将锻造和淬火结合在一起的工艺方法,也叫锻造余热淬火。是一种奥氏体化及形变温度较高(一般在1050~1250℃)的典型高温形变热处理工艺

普通淬火在强度、硬度上升的同时总是伴随着塑性及韧性的下降,但锻热淬火却能得到较高的力学性能的组合,使锻热淬火钢具有优良的拉伸、冲击和疲劳性能。锻热淬火钢的高硬度一直保持到600℃回火以前,其回火抗力很高。以550℃回火为例,锻热淬火可提高硬度135%,抗拉强度8%,断后伸长率15%、冲击韧度23%。在同等强度(或硬度)下,锻热淬火钢具有优越的冲击韧性和疲劳性能。同时由于它利用锻后余热还节省了热处理(正火加调质)的重新加热

采用锻热淬火后,可用低价的碳钢代替高价的合金钢,它既能降低热处理成本,减少材料费用,又能确保得到强韧的锻件

力学性能

零件

名称

工艺

力学性能

零件

名称

工艺

力学性能

σb/

MPa

σs/

MPa

δ/

%

ψ/

%

ak/

J·cm-2

硬度

σb/

MPa

σs/

MPa

δ/

%

ψ/

%

ak/

J·cm-2

硬度

农机耙片

(65Mn)

锻热淬火

     

113

49HRC

S195

连杆

(45)

锻热淬火

1000

13.6

48.8

67

302HBS

普通淬火

     

119.6

49HRC

普通淬火

841

19.6

64

113

294HBS

4115

连杆

(45)

锻热淬火

820

   

46

102

260HRC

锻热淬火

942

829

13.6

61

125

27.8HBS

普通淬火

770

   

63

123

221HRC

普通淬火

867

708

21.6

58.1

123

24.4HBS

拖拉机接

片(45)

锻热淬火

880

 

16

47

56

K701

拖拉机

连杆(45)

锻热淬火

1000

13.7

44.3

130

290HBS

普通淬火

790

 

17

43

58

普通淬火

745

17.2

61

84

280HBS

拖拉机转

向臂(45)

锻热淬火

 

100

255HRC

K701拖

拉机吊物

(40Cr)

锻热淬火

1130

10.7

37.1

88

327HBS

普通淬火

 

105

普通淬火

1002

9.6

45.2

57

235HBS

拖拉机立

直落管

(45)

锻热淬火

785

690

22.5

41

22HRC

135柴油机连杆

(40Cr)

锻热淬火

830

21

68

175

250HBS

普通淬火

840

660

15

32

25HRC

普通淬火

770

19

66

160

235HBS

拖拉机主

动升降臂

(45)

锻热淬火

925

778

10.0

42

70

23HRC

高强

螺母

(20CrMn)

锻热淬火

868

769

24.0

74.3

247HBS

普通淬火

830

635

30.0

57

120

21HRC

普通淬火

727

655

22

73.2

210HBS

拖拉机转

向节半轴

(45)

锻热淬火

770

680

23

62

92

履带链板

(40Mn)

锻热淬火

870

780

2.0

89

268HBS

普通淬火

110

普通淬火

800

620

21.8

85

246HBS

拖拉机转

向臂轴

(45)

锻热淬火

860

705

15

20.5

18HRC

汽车第一

轴凸缘

(45)

锻热淬火

846

106

264HBS

普通淬火

755

720

24

59

14HRC

普通淬火

817

106

225HBS

545C

(45)

回火

温度

/℃

抗拉强度/MPa

断后伸长率/%

冲击韧度/J·cm-2

硬度 HRC

锻热

淬火

普通

淬火

差值

增加

率/%

锻热

淬火

普通

淬火

差值

增加

率/%

锻热

淬火

普通

淬火

差值

增加

率/%

锻热

淬火

普通

淬火

差值

增加

率/%

500

960

900

60

6.7

8.5

6.1

2.4

39

96

82

14

17

35.2

31.0

4.2

13.5

550

930

855

75

8.8

9.2

8.0

1.2

15

145

118

27

23

34.0

30.0

4.0

13.3

600

770

725

45

6.2

11.2

9.0

2.2

24.4

160

146

14

9.6

31.0

27.2

3.8

14.0

650

750

705

45

6.4

12.0

11.0

1.0

9.1

180

162

18

11.1

26.6

25.6

1.0

3.9

700

645

610

35

5.7

16.0

12.0

4.0

33

195

180

15

8.3

25.8

25.2

0.6

2.4

是将钢材的轧制与热处理相结合的一种高温形变热处理工艺,它在组织性能及强韧化机理方面,与锻热淬火一样,均服从一般高温形变淬火的规律。是与锻热淬火相似的方法,各种板材、带材、棒材和管材都可以用此法处理

   

化学成分(质量分数)/%

钢号

成分

序号

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Cu

轧后淬火的冷却制度

板厚

/mm

终轧温度

/℃

淬火温度

/℃

耗水量/m3·h-1

钢板移

动速度

/m·s-1

上喷水管

下喷水管

10XHCД

1

0.10

0.59

0.97

0.015

0.024

0.73

0.52

0.57

8

890~950

800~860

715~780

1400~1665

0.75

2

0.12

0.79

0.98

0.020

0.029

0.81

0.52

0.44

10~12

980~1010

920~960

715~865

1350~1650

0.50

3

0.08

0.63

0.85

0.028

0.010

0.62

0.55

0.48

16~20

960~1060

940~1000

715~920

1300~1900

0.25

4

0.11

0.72

0.94

0.011

0.015

0.64

0.59

0.53

25~40

1010~1100

950~1050

950~1200

2000~2700

0.25

CT3

1

0.18

0.57

0.26

0.031

0.035

0.10

0.08

0.06

标准力学性能

钢板

σb/

MPa

σs/

MPa

δ/

%

ak(-40℃)

/J·cm-2

2

0.19

0.57

0.26

0.030

0.008

0.06

0.06

0.08

3

0.19

0.48

0.20

0.036

0.008

0.08

0.08

0.05

CT3 ГОСТ380—1960

440~470

240

25

50

4

0.17

0.50

0.23

0.040

0.006

0.08

0.09

0.08

10ХНСДГОСТ5038—1965

540

400

50

高温形变热处理

                                                                        轧热淬火(或称控制轧)

力学性能

10ХНСД

(俄罗斯钢号,相当于我国10CrNi

SiCu)

成分

序号

板厚

/mm

钢板处理状态

σb/

MPa

σs/

MPa

δ/

%

ψ/%

ak(时效前)

/J·cm-2

ak(时效后)

/J·cm-2

1

10

淬火机上快冷

820~990

720~840

12~19

30~35

35~40

10

热轧

540~560

400~420

15~25

22~23

24~35

26~38

20

淬火机上快冷

890~1010

750~840

7.5~14

41~58

35~60

41~63

20

补充回火

690~730

550~640

19~22

50~40

55~104

20

热轧

570~580

410~450

24~30

58~64

15~20

21~26

20

淬火压床上快冷

720~820

680~750

16~20

54~61

25~35

30~41

2

12

淬火机上快冷

760~890

630~750

15~12

45~52

49~56

12

热轧

560~580

400~420

26~30

20~32

23~36

20

淬火机上快冷

880~970

720~850

8.8~14.5

45~54

20

淬火压床上冷却

700~790

650~680

12~21

45~90

48~95

3

25

淬火机上快冷

690~790

570~670

9~18

30~42

45~50

51~56

25

补充回火

570~610

430~490

19~25

55~100

60~101

25

热轧

470~490

300~350

25~26

50~52

20~25

24~28

4

20

淬火机上快冷

820~1080

700~860

12~20

30~55

31~45

34~49

20

热轧

480~490

320~340

26~29

55~57

23~31

28~56

20

淬火压床上冷却

720~820

590~720

8~9

38~58

28~40

34~61

CT3(俄罗斯钢号,相当于我国Q235)

1

10

淬火机上快冷

590~700

400~560

8~20

34~38

53~82

57~68

20

淬火机上快冷

630~670

470~570

14~19

38~57

31~42

35~46

20

淬火机上快冷,补充回火

530~580

380~450

21~31

35~58

40~63

20

热轧

470~480

310~330

26~28

50~57

30~38

35~45

2

12

淬火机上快冷

540~640

360~450

12~24

60~96

63~102

12

热轧

450~490

300~350

30~31

53~55

13~43

38~45

20

淬火机上快冷

570~590

390~480

12~24

30~80

33~82

20

淬火压床上快冷,补充回火

500~590

340~410

20~27

51~58

40~88

42~91

20

热轧

490~510

270~310

25~31

28~31

31~85

3

20

回火压床上冷却

520~550

380~400

20~28

46~61

30~60

35~64

20

淬火机上快冷

650~700

500~550

12~19

44~47

20~49

23~52

20

淬火机上快冷,补充回火

480~570

360~440

19~29

50~56

35~53

39~58

20

热轧

480~490

320~340

26~29

55~57

21~25

24~28

4

16

淬火机上快冷

580~720

430~570

13~19

42~57

27~65

31~70

16

淬火机上快冷,补充回火

520~550

420~470

21~26

40~60

45~46

16

热轧

460~470

300~340

26~30

52~55

21~25

24~30

名称

操  作

特  点

应  用

高 温 形 变 热 处 理

高温形变正火

适当降低终锻、终轧温度,然后空冷、或强制空冷、或等温空冷

提高钢材韧性,降低脆性转变温度,提高疲劳抗力

适用于改善以微量元素V、Nb、Ti强化的建筑结构材料塑性和碳钢及合金结构钢锻件的预备热处理

高温形变等温淬火

利用锻、轧后余热施行珠光体区域或贝氏体区域内的等温淬火

提高强度及韧性

用于0.4%C钢缆绳高碳钢丝及小型紧固件

亚温形变淬火

Ac1和Ac3间施行形变淬火

明显改善合金结构钢脆性,降低冷脆阀

在严寒地区工作的构件和冷冻设备构件

利用形变强化遗传性的热处理

用高温或低温形变淬火使毛坯强化,然后施行中间软化回火,以便于切削加工,最后二次淬火,低温回火,可再现形变强化效果

提高强度和韧性,取消毛坯预备热处理工艺

适用于形状复杂、切削量大的高强钢零件

是表面形变强化工艺,如喷丸强化、滚压强化等;与零件整体热处理强化或表面热处理强化相结合的工艺

表面形变热处理

表面高温形变淬火

用高频或盐浴使工件表层加热至Ac1或Ac3以上,施行滚压强化淬火

显著提高零件疲劳强度和耐磨性及使用寿命

高速传动轴、轴承套圈等圆柱形或环形零件,履带板和机铲等磨损零件

9Cr钢表面高温形变淬火后

接触疲劳强度与滚压力的关系

9Cr钢接触疲劳曲线的对比

9Cr钢表面高温形变淬火

后的力学性能

b1d6d6g

1—形变温度950~970℃;

2—形变温度900~920℃

b1d6d6h

1—普通高频感应加热淬火;

2—950℃滚压形变(滚压力650kN,

160~180℃回火)

形变

温度

/℃

弯矩

/kN·

m

抗弯

强度

σbb

/MPa

挠度

f

/mm

强化

层深

/mm

硬度

HRC

850

3133/

3194

3747/

3790

18.7/

17.5

3.0/

2.7

67/66

900

3270/

3318

3932/

3940

18.2/

17.7

5.0/

4.5

68/67

950

3044/

3518

3714/

4438

13.7/

16.6

穿透

66/66

1000

2911/

3268

3431/

3842

10.0/

9.3

穿透

66/67

①拉拔速度05m/min,140℃回火15h。

②分子的形变量为10%,分母的形变量为15%。

40、40Cr钢表面形变淬火后的接触疲劳极限

与滚压力的关系(形变温度950℃,

回火温度180~200℃)

40、65Mn钢耐磨性与

滚压力间的关系

40Cr钢经各种处理后的

接触疲劳极限

b1d6d6i

b1d6d6j

处理工艺

硬度

HRC

接触疲

劳极限

/MPa

整体淬火,低温回火

46~48

940

整体淬火,低温回火,喷丸强化

49~51

1080

高频感应加热淬火,低温回火

51~53

1180

高频感应加热淬火,低温回火喷丸强化

54~56

1233

高温滚压淬火,950℃,550N,180~200℃回火

50~52

1270

钢体表面高温形变淬火后的表面粗糙度

(Ra)与原始粗糙度(Ra0)及形变力间的关系

40Cr钢表面高温形变淬火后的

强化层深度和相对耐磨性

b1d6d6k

1—600kN;2—800kN;

3—1000kN;4—1200kN

表面高温形变淬火可明显改善钢的表面粗糙度,从而能提高疲劳极限

滚压

/kN

形变温度

850℃

形变温度

950℃

形变时间/s

6

8

6

8

10

/mm

600

2.10

1.10

2.30

2.00

1.66

800

2.10

2.00

2.50

2.20

1.90

1000

2.90

2.30

3.00

2.70

2.40

1200

3.70

2.90

3.90

3.50

3.10

600

1.00

0.97

1.13

0.91

0.80

800

1.19

1.00

1.34

1.09

0.93

1000

1.30

1.16

1.43

1.23

1.04

1200

1.16

1.10

1.21

1.04

0.90

由9Cr钢接触疲劳曲线的对比可看出,与普通高频感应加热淬火相比,表面高温形变淬火能够有效地提高接触疲劳强度。随着滚压力(亦即表面形变量)的增大,表面破损的接触循环次数先增后减,到650N时为最大值,在最佳处理条件下,对应107循环次数的接触疲劳极限从普通处理时的2000MPa提高到2250MPa,而在小于107循环次数的范围内,接触疲劳寿命可以提高2.5~5倍

预冷形变

表面形变热处理

给工件预先施加压力再进行表面形变淬火

可使工件形成高的残余压应力,可显著提高其抗疲劳能力、表面粗糙度和耐磨性

40Cr钢经不同表面强化

后的表层残留应力

50钢履带链节经不同表面

强化后的表层残留应力

40Cr钢经预冷形变表面高温形变

淬火后的强化层深度和相对耐磨性

b1d6d6l

1—感应淬火;2—预冷形变表面

高温形变淬火;3—表面高温形变热处理

b1d6d6m

1—高频感应加热表面淬火;

2—表面高温形变热处理;

3—冷滚压和表面高温形变淬火;

4—表面高温形变热处理后冷滚压

滚压

/kN

中间回火温度/℃

未回火

200

400

强化层深度/mm

200

0.80/0.90

0.70/0.75

0.80/0.70

250

1.00/1.00

0.85/1.00

1.00/0.90

300

1.70/1.80

1.70/1.90

1.80/1.80

350

2.10/2.20

2.20/2.20

1.85/2.20

400

2.40/2.40

2.50/2.30

2.30/2.40

相对耐磨性

200

0.96/1.09

1.15/1.18

1.03/1.02

钢件预冷形变表面形变淬火后的表面粗

糙度与形变进给量、滚压力之间的关系

250

1.01/1.25

1.20/1.25

1.10/1.18

300

1.08/1.30

1.28/1.30

1.12/1.12

b1d6d6n

1—形变进给量0.25mm/r;2—0.2mm/r;

3—015mm/r;4—010mm/r

350

1.02/1.10

1.19/1.10

1.08/1.08

400

1.00/1.08

1.10/1.08

1.05/1.09

①以高频淬火效果为1

②分子淬火温度为850℃,分母淬火温度为950℃

表面形变时效

钢件在喷丸或滚压强化之后再补充以时效(低温回火)

可使钢件疲劳强度得到进一步的提高

 

55Si2钢和60Si2钢进行900℃、60min加热,然后油淬及450℃硝盐槽中的回火,并于喷丸处理后于20~500℃下进行不同温度的补充回火(时效)后的疲劳强度(σ-1)的试验,结果示于右图。滚压后的时效也可使预先调质状态(880℃油淬,550℃回火)的40Cr钢疲劳强度比时效前提高约20%

b1d6d6o

复合形变热处理

把高温形变淬火和低温形变淬火复合,或将高温形变淬火与马氏体形变时效复合

提高韧性、强度、疲劳强度和耐磨性等综合力学性能

适用于Mn13、工具钢和冷作模具钢等难以强化的钢材

形变化学热处理

利用锻热渗碳淬火或碳氮共渗

零件在奥氏体化以上温度模锻成形,随即在炉中渗碳或碳氮共渗淬火、回火

节能,提高渗速,提高硬度及耐磨性

中等模数齿轮

锻热淬火渗氮

钢件锻热淬火后,高温回火时渗氮或碳氮共渗

加速渗氮或碳氮共渗过程,提高耐磨性

模具、刀具及要求耐磨的工件

低温形变淬火渗硫

钢件低温形变淬火后,回火与低温电解渗硫结合

心部强度高,表面减摩

高强度摩擦偶件,如凿岩机活塞、牙轮钻等

渗碳件表面形变时效

渗碳、渗氮、碳氮共渗零件渗后在常温下施行表面喷丸或滚压,随后低温回火,使表面产生形变时效作用

显著提高零件表面硬度、耐磨性,使表面产生压应力,明显提高疲劳抗力

航空发动机齿轮、内燃机缸套等耐磨及疲劳性能要求极高的零件

渗碳表面形变淬火

用高频电流加热渗碳件表面,然后施行滚压强化,也可在渗碳后直接进行滚压强化

零件表面可以获得极高的耐磨性

齿轮等渗碳件

①位错——晶体中常见的一维缺陷(线缺陷),在透射电子显微镜下金属薄膜试样衍射像中表现为弯曲的线条。

材料在热处理中的特性

特性

含  义  及  影  响

设  计  中  如  何  考  虑

淬透性(可淬性)

指钢接受淬火的能力

不同的钢种,接受淬火的能力不同,因而淬成马氏体(指结构钢和工具钢)组织的深度(淬透层深度)也不同,钢的淬透层深度愈大,表明该钢种的淬透性愈好

淬透性不同的钢,淬火后得到的淬透层深度、金相组织以及沿截面分布的力学性能都不同。以回火至同一硬度水平来比较,淬透性大的钢,其力学性能沿截面是均匀分布的;而淬透性小的钢心部力学性能低,特别是σs、σk值显著下降。但全部淬透的工件,通常表面残留拉应力,对工件承受疲劳不利,工件热处理中也易变形开裂。未淬透工件则表面可残留压应力,反而有一定好处

淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体+50%珠光体层的深度

钢的淬透性通常用淬透性曲线图来表示,并用临界淬透直径Dc来比较各种钢材的淬透性大小

淬透性大小受钢的化学成分、奥氏体的均匀度、奥氏体化温度和奥氏体晶粒度等因素的影响而变化,但与工件尺寸大小等无关;淬透层深度则除受以上这些因素影响外,还受冷却速度、冷却剂和工件尺寸大小等因素的影响,两者有密切的关系,但其概念不同,不能混淆,例如不能笼统地认为一个淬透了的小尺寸零件的淬透性就一定比一个未淬透的大尺寸零件的淬透性大。钢的淬透性是选择材料和热处理工艺主要根据之一。必须注意:

1.要根据零件不同的工作条件合理确定对钢的淬透性要求,并不是所有场合都要求淬透,或者淬透都是有益的

2.设计大截面或形状复杂的重要构件采用多元合金钢,可保证沿整个截面具有高强度和高韧性的配合,获得综合力学性能,减少淬火变形或避免开裂

3.零件尺寸越大,内部热容量越大,淬火时零件冷却速度越慢,因此,淬透层越薄,性能越差:例如同样的40Cr钢经调质后,当直径为30mm时,σb≥900MPa,直径为120mm时,σb≥750MPa,直径为240mm时,σb≥650MPa,这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。但是淬透性大的钢,尺寸效应不明显,如合金元素总量在3%~6%之间的多元合金,因而在大截面的条件下,仍能保证较高的综合力学性能。查阅手册注意,不能根据小尺寸试样测定的性能指标,用于大尺寸零件的强度计算

4.由于碳钢的淬透性低,有时在设计大尺寸零件时,用碳钢正火比用碳钢调质更经济,而效果相似。例如设计尺寸为f100mm,用45钢调质达到σb=610MPa,正火也能达到σb=600MPa

5.直径较大并具有几个台阶的传动轴,需经调质处理时,考虑到淬透性影响,应先粗车成形,然后调质。如果以棒料先调质,再车外圆,由于直径大,表面淬透层浅,阶梯轴尺寸较小的部分调质后的组织,在粗车时可能被车去,起不到调质作用

部分常用钢材的淬透性值和临界淬透直径

钢  号

淬透性值

D0水

(20℃)

D0油

(矿物油)

钢  号

淬透性值

D0水

(20℃)

D0油

(矿物油)

20Mn2

J33/5

26(23)

12(13.5)

40Cr

J43/7.5

36(32)

20(21)

20MnTiB

J33/8

38(34)

21(22)

40CrMn

J43/12

51(47)

36(34)

20MnVB

J33/15

61(57)

43(42)

40CrV

J43/10

45(40)

27(29)

20Cr

J33/5

26(23)

12(13.5)

40Mn2

J43/9

41(36)

25(26)

20CrMnB

J33/17

66(64)

45(47)

35SiMn

J40/9

41(36)

25(26)

20CrMoB

J33/12

51(47)

36(34)

30CrMnSi

J40/15

61(57)

43(42)

20CrNi

J33/9

41(36)

25(26)

30CrMnTi

J40/12

51(47)

36(34)

20CrMnMoVB

J33/18

68(66)

48(50)

20CrMnTi

J33/9

41(36)

25(26)

20SiMnVB

J33/20

75(71)

54(56)

30CrMo

J40/10

45(40)

27(29)

12CrNi3

J30/30

78(84)

40Cr2MoV

J43/15

61(57)

43(42)

12Cr2Ni4

J30/33

84(96)

40MnB

J43/15

61(57)

43(42)

45

J43/3

16(15)

8(8.5)

40MnVB

J43/18

71(66)

51(50)

40CrMnB

J43/22

84(77)

60(62)

GCr15

J55/9

41(360

25(26)

40CrMnMoVB

J43/39

94(115)

GCr15SiMn

J55/18

71(66)

51(50)

40CrNi

J43/21

80(76)

58(60)

9Mn2V

J55/13.5

57(52)

38(37)

40CrNiMo

J43/23

87(78)

66(63)

5SiMnMoV

J45/6

31(28)

15(17)

65

J20/9.5

43(39)

26(28)

5Si2MnMoV

J45/21

81(76)

59(60)

65Mn

J50/10

45(40)

27(29)

9SiCr

J55/12

51(47)

36(34)

55Si2Mn

J50/6.5

32(29)

16(18)

Cr2

J55/12

51(47)

36(34)

50CrV

J45/15

61(57)

43(42)

CrMn

J55/6

31(28)

15(17)

50CrMn

J45/17

66(64)

45(47)

CrW

J55/5.5

28(25)

17(15)

50CrMnV

J45/33

84(96)

9CrV

J55/7

35(31)

18(19)

T9

J55/5

26(23)

12(13.5)

9CrWMn

J55/32

80(90)

GCr9

J55/7.5

32(33)

20(21)

CrWMn

J55/13.5

57(52)

38(37)

GCrSiMn

J55/14

58(55)

39(40)

       

淬硬性

指钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度,又叫淬硬性

淬硬性不同于淬透性,它主要与含碳量有关,含碳量愈高,淬火后硬度愈高,而与合金元素无显著影响。所以,淬火硬度高的钢不一定淬透性就高,而硬度低的钢也可能具有高的淬透性

过热敏感性

指钢在淬火加热时,促进奥氏体晶粒长大,发生过热疵病的敏感性

奥氏体晶粒长大往往使钢在冷却后的力学性能降低,特别是冲击韧性变坏,甚至在淬火时会形成裂纹。本质粗晶粒钢的过热敏感性大,本质细晶粒钢,只有在加热到930~950℃以上才显著长大

回火稳定性

指回火时减慢钢的组织和性能的变化,使淬火钢在较高温度回火后仍能保持较高硬度

回火稳定性好的钢,可在较高的温度回火,使韧性增加,内应力消除更完善。合金钢的回火稳定性比碳钢好。因此,在达到同一回火硬度时,合金钢的回火温度可以比碳钢高,回火时间比碳钢长,故回火后,合金钢的内应力比碳钢小,韧性比碳钢好。对于要求内应力尽量消除完全(因而回火温度要高一些),但强度指标又要损失小一些的零件(如弹簧等),就应采用回火稳定性较好的材料

变形开裂倾向

指钢在加热和冷却过程,产生热应力和组织应力,其综合作用引起超过钢的σs或σb而产生变形开裂的倾向

加热或冷却速度太快,加热和冷却不均匀,以及奥氏体向马氏体转变过程中体积的变化,都会造成零件的热应力和组织应力,因此:①零件设计应尽量避免尖角和厚薄断面的突然变化;②采用分级淬火、等温淬火或双液淬火等方法,可降低应力,减少变形,试验表明,如GCr15Q钢套管分级淬火时,比油淬时的外径变形可减少一半

尺寸稳定性

指零件在长期存放或使用中不变形的性能。这对于精密零件等是极为重要的

引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在,以及残余奥氏体的分解,因此,设计精密度高的零件和量具时,必须进行稳定化处理,如淬火后进行冷处理以减少残余奥氏体的含量,或低温时效,使马氏体趋向稳定并减少内应力,以稳定尺寸(适量的奥氏体存在,可减少组织应力,从而也可减少淬火变形)

回火脆性

指钢在某个温度范围回火时,发生冲击韧性降低的现象

产生回火韧性的钢,不仅室温下的冲击韧性较正常钢为低,而且使钢的冷脆温度大大提高

当回火温度在250~400℃时,会引起钢的脆性,称为第一类回火脆性,它一产生就不易消除,故又称不可逆回火脆性。因此在热处理时很少采用250~400℃温度回火。一般认为碳钢的第一类回火脆性影响不大,但弹簧一般多在350~500℃回火,则只有根据需要与可能,首先保证弹簧要求性能的主要方面

某些合金钢(Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Mn钢)在450~575℃或更高温度回火后,缓冷,还会出现第二类回火脆性,又称可逆回火脆性,即可以再次回火后,快冷消除。对于难于快冷的大截面零件可加入Mo0.3%~0.4%或W0.8%~1.2%,来防止回火脆性

氧化脱碳敏感性

氧化是工件在氧化性气氛和未脱碳的盐浴中加热时,气氛中的O2与Fe发生化学反应形成FeO、Fe2O3、Fe3O4等氧化物,俗称氧化皮。脱碳是钢中的碳(溶于奥氏体中的碳和形成碳化物的碳)被氧化烧损的现象。脱碳除了氧的作用外,水蒸气和二氧化碳也引起脱碳。在含有0.05%水汽还原性气氛中,也会脱碳

氧化使工件表面粗糙,淬火时阻碍冷却介质与工件的热交换,降低冷却速度,形成软点、硬度不足等缺陷。脱碳改变了表层的化学成分,使工件淬火后硬度下降,形变量增加,对工件淬火回火后的力学性能尤其是疲劳性能也有极坏的负面影响。对于渗氮工件,表面脱碳使渗氮层脆性增加。脱碳也是引起裂纹的主要原因,因为脱碳层相变延迟可产生巨大的拉应力

为此,现代热处理已大都采用可控气氛炉、真空炉、脱氧干净的盐浴炉或流态床等先进热处理设备

Si对钢的氧化脱碳敏感性影响较大,故含Si钢如9SiCr、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV等氧化脱碳敏感性大,热处理时应注意

注:括号内数值是根据淬透性曲线图和淬透性标准图查得的数据。

淬透性曲线图

淬透性曲线一般都要实测,也可根据炉号成分按统计公式计算:

当C≤0.28%:J6~40=87C+14Cr+5.3Ni+29Mo+16Mn-17+1.4d+22

当C≥0.29%:J6~40=78C+22Cr+21Mn+6.9Ni+33Mo-16.3+1.13d+18

J6~40表示试样端淬距离d在6~40mm范围内时任一d值部位的硬度HRC;d为端淬距离,即至水冷端的距离(mm)。公式适用于含0.1%~0.6%C, 0.2%~1.88%Mn,0~9%Ni,0~1.97%Cr,0~0.53%Mo,0~3.8%Si的钢种

各种常用钢种的淬透性曲线图

1-372

淬透性曲线图的应用

项  目

应   用   举   例

根据要求硬度,求相应的各种零件的截面尺寸

已知:选用40Cr,回火前不同断面硬度值>46HRC

首先直接从图40Cr钢淬透曲线上的纵坐标46HRC处向右引水平线交淬透性带的下线,再由交点向上作垂线就可查得圆形零件尺寸,或由交点向下作垂线,找到d=6,再由图a查得水淬时,f 51mm的3/4R处,f31mm的中心;油淬时,f 46mm的表面,f 25mm的3/4R处,f 51mm的中心处均能淬到同样硬度,因此,凡设计小于上述尺寸的圆形零件,其淬火硬度均不低于46HRC

373

根据选定的材料及尺寸大小,求零件截面上的硬度分布

已知:选用40Cr制造f 50mm的轴

1.从图a在f 50mm处向右引直线与各曲线相交,查出钢材在该直径时水淬后与末端淬火试样的至水冷端的距离的关系为:轴表面相应于至水冷端的距离为1.5mm,3/4R处相应于至水冷端的距离6mm,1/2R处相应于至水冷端的距离为9mm,轴中心处相应于至水冷端的距离为12mm

2.根据以上数据,再从图40Cr钢淬透曲线查出相应的硬度值:

轴表面:相应于至水冷端的距离1.5mm,相应的硬度为53HRC

3/4R处:相应于至水冷端的距离6mm,相应的硬度为46HRC

1/2R处:相应于至水冷端的距离9mm,相应的硬度为38HRC

轴中心:相应于至水冷端的距离12mm,相应的硬度为33HRC

根据以上硬度值,便可作出40Cr制成f 50mm的轴径水淬后的截面硬度分布曲线

3.零件直径d>100mm并≤220mm时可从图b查得不同零件直径水淬后与末端淬火试样的至水冷端的距离的关系,然后再从相应钢号的淬透性曲线图中查出相应的硬度值。例如d=120mm,水淬时可按图b中箭头所示方向查找

373-1

根据零件尺寸大小及要求的淬火硬度选择材料

已知:f 45mm的发动机轴,在交变弯曲及扭转应力下工作,为了保证使用要求,热处理后的硬度>36HRC,问选用40CrMnMo能否满足要求

1.由图c查得,要获得36HRC的硬度,则钢材淬火硬度应>45HRC

2.由图d查得,要保证淬火硬度>45HRC,所选用的钢号淬火后的组织含M≈50%时,含碳量应>0.45%;含M≈80%时,含碳量应>0.35%。40CrMnMo的含碳量约0.37%~0.44%,不能满足含M≈50%组织的要求,但可满足获得含M≈80%的要求

3.根据轴的工作条件,表面处应力最大,中心处应力趋于零,故不需全部淬透,一般淬硬厚度≥1/4R即可。因此,根据此淬硬厚度,从图a查出相应直径时油淬或水淬后为末端淬火法试样至水冷端距离的关系,即f 45mm的轴油淬时,其距中心3/4R处的冷却速度同末端淬火样品距端部约10.5mm处的冷却速度是相当的。查图40CrMnMo淬透曲线,按至水冷端的距离为10.5mm时,油淬后硬度约49HRC,故可满足要求

374

根据选定材料的淬透性曲线求该钢号的临界淬透直径Dc

已知:材料的淬透性曲线

1.根据选用材料的含碳量从图d找出相当于半马氏体(50%M)区的硬度,并由已知淬透性曲线上找出相同硬度下至水冷端的距离

2.从第一步找出的距离在图e的横坐标上找到相同数值处,引出垂线与各冷却强度曲线相交,再由交点向左引纵坐标的垂线,便可得出相应冷却剂的临界淬透直径

3.如果理想临界直径的马氏体量不是以50%为标准,则可按图f进行换算

374-1374-2

合金元素对钢组织性能和热处理工艺的影响

 

一、对钢组织的影响对铁

影 响 方 面

合 金 元 素

影 响 方 面

合 金 元 素

 

对奥氏体化过程的影响

加速

延缓

Co

Ti、V、Mo、W

对奥氏体晶粒度的影响

阻碍晶粒长大

影响不明显

加速晶粒长大

Ti、V、Ta、Zr、Nb和少量W、Mo等形成稳定难溶碳化物元素,N、O、S等形成高熔点非金属夹杂物和金属间化合物元素

Si、Ni、Co等促进石墨化元素

Cu结构上自由存在的元素

Cr等形成比较易溶解碳化物的元素

Mn、P

 

对奥氏体等温转变的影响

保持等温转变图形状,向右移

等温转变图明显右移,珠光体和贝氏体转变曲线分开使等温转变图左移

Si、P、Ni、Cu等不形成碳化物元素和弱形成碳化物元素

强形成碳化物元素Ti、V、Cr、Mo、W、Co

 

多种元素综合作用

比较复杂,不是简单叠加

 

对连续冷却转变图的影响

降低奥氏体分解或转变温度

提高奥氏体分解或转变温度

使等温转变图向右移的元素

使等温转变图向左移的元素,如Co、Al

 

对Fe-C相图奥氏体区的影响

缩小和封闭γ区

Cr、W、Mo、Si、V、Ti等

 

防止或延迟回火脆性

Be、Mo、W

 

对马氏体转变的影响

降低Ms点

影响Ms点不明显

提高Ms点

C、Mn、V、Cr、Ni、Cu、Mo、W

Si、B

Co、Al

 

对回火二次硬化的影响

残余奥氏体转变

沉淀硬化

Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co、V

V、Mo、W、Cr、Ni、Co

 

二、对钢力学性能的影响

对铁素体固溶硬化作用

b1d6d9a

马氏体碳含量与最高硬度的关系

b1d6d9b

 

对抗拉强度的影响

b1d6d9c

对屈服点的影响

b1d6d9d

 

对脆性转变温度的影响

b1d6d9e

(以质量分数为C03%,Mn10%,Si0.3%的钢的脆性转变温度为

基础,分别加入其他合金元素后对其脆性转变温度的影响)

 

三、对钢物理性能的影响

对铁素体蠕变强度的影响

b1d6d9f

各种合金元素对铁的电阻系数的影响(20℃时)

b1d6d9g

 

奥氏体晶粒大小和蠕变速度的关系

b1d6d9h

(试验温度:600℃;载荷50N/mm2)

 

不同碳含量(质量分数)的碳素钢在不同温度时对热导率的影响

b1d6d9i

1—ω(C)=008%;2—ω(C)=0.42%;3—ω(C)=122%

 

四、对钢化学性能的影响

化学性能

元素的影响

 

高温氧化

Fe-Fe3C合金的抗高温氧化性能很差,加入Cr、Si、Al等元素在钢表面形成致密的氧化物,保护钢材表面不继续氧化

 

高温含硫气体腐蚀

含Ni钢的抗硫腐蚀性很差,无Ni的Cr-Al-Si钢具有较强的抗硫腐蚀能力

 

低温、常温和零下温度的表面化学性能的变化

由于液体和气体腐蚀介质在钢表面产生局部伏特电池效应而导致腐蚀。采用含高Ni、Cr的单相奥氏体不锈钢可避免和明显缓和这种电解腐蚀作用。Al在钢中也能起到减少表面腐蚀作用,提高碳对钢的抗大气腐蚀能力。随碳量增加,抗晶间腐蚀能力明显降低,加入一定量的Ti或Nb可改善。Cu和P能提高钢抗大气腐蚀能力。Cu也可提高有机涂层的附着力。含Cu钢也是优良的建筑钢材

 

五、对热处理工艺的影响

影 响 方 面

合 金 元 素

 

1.对热处理加热温度的影响

提高退火、淬火、回火温度

Cr、Co、V、Al、Ti

 

增加过热敏感性

C、Mn、Cr

 

降低过热敏感性

W、Mo、Ti、V、Ni、Si、Ta、Co

 

不宜在高温加热

Mo

 

2.对热处理加热时间的影响

不宜长时间退火,以免降低淬火硬度

含W钢

 

必须适当延长淬火加热时间

含Cr、W、V钢

 

3.对反复热处理不敏感

W钢

 

4.对化学热处理的影响

促进对氧的吸收

Al、Cr、Ta

 

促进对碳的吸收

Cr、W、Mo、V

 

5.对回火稳定性的影响

提高回火稳定性

V、W、Ti、Cr、Mo、Co、Si

 

作用不明显

Al、Mn、Ni

 

6.对回火脆性的影响

促使回火脆性

Mn、Cr、N、P、V、Cu、Ni

 

防止或延迟回火脆性

Be、Mo、W

 

7.对高温渗碳温度敏感

Cr、Mo、Mn

 

8.对钢淬透性的影响

提高淬透性

易使晶粒长大的元素,如Mn;降低奥氏体转变临界冷速的元素,如C、P、Si、Ni、Cr、Mo、B、Cu、As、Sb、Be、N

 

降低淬透性

使晶粒细化的元素,如Al提高奥氏体转变临界冷速的元素,如S、V、Ti、Co、Nb、Ta、W、Te、Zr、Se

 

例外

V、Ti、Nb、Ta、Zr、W等强碳化物形成元素形成碳化物时降低淬透性,溶入固溶体则相反

 

9.对回火二次硬化的影响,残余奥氏体转变

Mn、Mo、W、Cr、Ni、Co、V

 

10.沉淀硬化

V、Mo、W、Cr、Ni、Co

 

六、对钢材加工工艺性的影响

工艺性能

元素影响

 

焊接性

V、Ti、Nb、Zr改善钢的焊接性,P、S、C恶化焊接性,一般提高钢的淬透性的元素都降低焊接性

 

切削加工性

加入S、Mn在钢中易生成均匀分布的MnS夹杂,切削时易断屑。在优质钢中加入少量的Pb,亦可改善切削加工性。此外,还要经过适当的热处理使钢材硬度适中

 

冷态加工性

S、P等元素易使钢变脆,冷作性能变差,C、Si、P、S、Ni、Cr、V、Cu等元素都会降低钢的深冲压、拉延性能,Al有细化晶粒的作用,含少量Al的钢可提高深冲压、拉延后的钢板表面质量

 

常用材料的工作条件和热处理

组织、性能特点

和工作条件

牌号

热处理

力学性能≥

 

应用示例

临界淬

透直径

/mm

淬火

/℃

回火

/℃

σb

/MPa

σs

/MPa

δ

/%

ψ

/%

ak

/J·cm-2

硬度

HB

HRC

含碳量0.1%~0.25%

合金元素总量一般≤3%,少数达5%~7%。作用为提高淬透性(Cr、Mn、Mo、Ni等),阻碍高温渗碳时奥氏体晶粒长大(Ti、V、W、Mo、Cr等)以及提高渗碳层和心部的强韧性(Ni最显著)

经渗碳、淬火、低温回火后,碳钢的表层组织为回火马氏体和粒状渗碳体及少量残余奥氏体,心部为珠光体型组织;合金渗碳钢表层为回火马氏体、粒状合金碳化物和少量残余奥氏体,心部淬透时为低碳马氏体,不淬透时还有珠光体型组织

可获得了表面硬而耐磨,心部强韧相济的性能

用于受冲击和磨损条件下的工作

按合金元素的类型和数量,可分为低淬透性(低强度)、中淬透性(中强度)和高淬透性(高强度)几个等级,以适应不同的应用场合

低淬透性渗碳钢

15、20

1.渗碳900~950℃

2.淬火

一般采用渗碳后预冷到800~850℃淬火或渗碳后冷到室温,然后重新加热到750~780℃淬火

对20Cr2Ni4和18Cr2Ni4W等高合金渗碳钢,为减少淬火后的残余奥氏体,可采用高温回火后再加热到800℃左右淬火

有时为了消除网状渗碳体、细化晶粒,也有采用二次淬火的,但不常用

3.回火

一般为180~200℃

450~550

       

心部

≤30

HRC

表面

≥59

用于受力不太大,心部强度要求不高的耐磨零件,如小齿轮,活塞销,柴油机凸轮轴、顶杆、中小型机床变速箱齿轮等

水淬

20~35

15Cr

750

500

10

45

70

15MnV

750

500

11

45

70

20Cr

850

550

10

40

60

20Mn2

800

600

10

40

60

20MnV

950

800

9

40

50

中淬透性渗碳钢

12CrNi3

950

700

11

50

90

心部

30~45

HRC

表面

58~63

用于受中等动载荷的耐磨零件,如汽车、拖拉机变速箱齿轮、连轴节、齿轮轴、十字销头、花键轴套等

油淬

25~60

20CrNi3

950

750

11

55

100

20CrMnTi

1100

850

10

45

70

20MnVB

1100

900

10

45

70

20CrMnMo

1200

900

10

45

70

高淬透性渗碳钢

12Cr2Ni4

1100

850

10

50

90

心部

35~45

HRC

表面

58~63

用于受重载和强烈磨损的重要大型零件,如飞机坦克变速箱齿轮,内燃机车主动牵引齿轮,柴油机曲轴、连杆、缸头螺栓等

油淬

≥100

20Cr2Ni4

1200

1100

10

45

80

18Cr2Ni4W

1200

850

10

45

100

16SiMn2WV

1200

900

10

45

80

15SiMn3MoWV

1200

900

10

45

100

15CrMn2SiMo

1200

900

10

45

80

含碳量0.25%~0.50%,要求硬度、强度、耐磨性为主的取上限,要求高塑性和韧性的零件取下限

主加合金元素有Cr、Mn、Ni、Si等,用以提高淬透性,强化铁素体,另加入少量细化晶粒(如W、Mo、V、Ti等)和防止回火脆性(如Mo、W)的元素

调质钢一般是经调质后获得回火索氏体组织

具有强度、硬度、塑性和韧性良好配合的综合力学性能

用作承受动载荷的重要零件

为了改善表面耐磨性,可在调质后加表面淬火、软氮化或氮化处理

对某些要求强度高而有适当韧性的零件可进行淬火加200℃左右的低温回火(如凿岩机活塞)或中温回火(如模锻锤杆)

调质钢按淬透性和强度分为低、中等、较高和高几个等级

低淬透性钢

45

840水

560

650

360

17

35

40

210~250

 

用作小截面的零件,如各种小轴、小齿轮、螺栓等

此类钢在一般机械制造中应用很广

如零件力学性能要求不高,可用正火代替调质

水淬

15~30

50

830水

580

700

400

13

34

25

40Mn

840水

600

800

520

18

45

50

50Mn

820水

580

800

550

8

40

35

中等淬透性钢

40Cr

850油

520

水、油

1000

800

9

45

58

250~350

 

用作中等截面、中载零件,如曲轴、齿轮、连杆、螺栓等。在内燃机车、汽车、拖拉机、机床上应用很广,其中,用得最多的是40Cr(可用40MnB、35SiMn等代替);38CrMoAl是典型氮化钢

油淬

25~45

35SiMn

900水

570

水、油

900

750

15

45

58

40MnB

850油

500

水、油

1000

800

10

45

58

40CrV

880油

650

水、油

900

750

10

50

88

38CrMoAl

940

水、油

640

水、油

1000

850

14

50

88

较高淬透性钢

40CrNi

820油

500

水、油

1000

800

10

45

68

250~350

 

用作截面较大,受载较重的零件,如大截面的曲轴、连杆、变速箱主动轴等,其中,40CrNi可用40MnMoB等代替

油淬

45~75

40CrMn

840油

550

水、油

1000

850

9

45

58

35CrMo

850油

550

水、油

1000

850

12

45

78

42CrMo

850油

560

水、油

1100

950

12

45

78

30CrMnSi

880油

520

水、油

1100

900

10

45

48

高淬透性钢

37CrNi3

820油

500

水、油

1150

1000

10

50

60

250~350

 

用作大截面,受重载零件,如汽轮机主轴、叶轮、电力机车大齿轮等

油淬

≥75

37SiMn2MoV

870

水、油

650

水、油

1000

850

12

50

78

40CrNiMo

850油

600

水、油

1000

850

12

55

98

40CrMnMo

850油

600

水、油

1000

850

10

45

78

组织、性能特点

和工作条件

牌号

热处理

力学性能≥

 

应用示例

临界淬

透直径

/mm

淬火

/℃

回火

/℃

σb

/MPa

σs

/MPa

δ

/%

ψ

/%

ak

/J·cm-2

硬度

HB

HRC

微合金化的非调质钢,即在中碳钢基础上添加微

量钒、钛、铌等元素的钢

钢材在锻轧后施行控制冷却。用这种钢材加工出的工件可免除毛坯的调质处理,其力学性能不低于甚至高于调质处理的中碳钢和中碳低合金钢

右列三种牌号的非调质钢的金相组织为珠光体+铁素体,晶粒度为5~7

非调质钢是1970年开发出来的

S53C(调质钢)

调质

875~

885

660~

670

17~

19

55~

57

60~63

231~248HBS

这里列出的是几种用于柴油机连杆的非调质钢

目前这类非调质钢已广泛用于曲轴连杆、半轴、齿轮轴等汽车、拖拉机零件

35MnVS

锻后空冷

875~

890

610~

630

17~

20

46~

50

45~50

249~260HBS

40MnVS

锻后空冷

875~

932

610~

634

15~

18

46~

50

50~

72.5

260~277HBS

35MnVNbS

锻后空冷

970~

1123

684~

765

12~

16

32~

46

47.5

~65

265~288HBS

几种非调质钢和调质钢的锻造工艺和控冷方式

连杆抗拉试验结果

疲劳抗力的安全系数

钢号

加热

温度

/℃

始锻

温度

/℃

终锻

温度

/℃

控冷

方式

断裂负

荷平均

值/kN

最小截

面积

/mm2

整体抗

拉强度

/MPa

强度比

/%

处理

工艺

疲劳

抗力

/kN

安全

系数

强度

/%

S53C

(调质钢)

1200

±10

1100

±10

950±20

锻后

调质

221

257

976

100

调质

57.7

1.7

100

35MnVS

1210

±10

1120

±10

960±20

先空冷

后堆冷

230

257

1021

104

锻后

空冷

85.0

2.5

147

40MnVS

1200

±10

1100

±10

950±20

242

257

1102

112

锻后

空冷

77.5

2.3

134

35MVNbS

1210

±10

1120

±10

960±20

286

257

1167

120

锻后

空冷

89.1

2.6

154

准贝氏体钢是在贝氏体钢合金化的基础上添加适量硅而成的。硅一方面强烈抑制碳化物析出,另一方面增加组织中残余奥氏体量及其稳定性。与一般的结构钢相比,在同等强度水平下,准贝氏体钢具有更高的塑性,冲击韧性的提高非常显著,良好的强度与塑性配合以及循环硬化特征,使准贝氏体钢具有低缺口敏感性和高疲劳强度

系列新型准贝氏体钢的常规力学性能

牌号

热处理

σb

/MPa

σs

/MPa

δ

/%

ψ

/%

ak

/J·cm-2

应   用

工程构件高强度准贝氏体钢

BZ-10

热轧

热轧+高温回火

692

585

490

10.5

28.0

49

202

高强度板材、型材工程构件

机器零件用高强度

准贝氏体钢

BZ-11

BZ-15

正火+高温回火

正火+低温回火

1137

1270

950

980

16.7

15.0

59.0

58.0

91

87

石油钻采设备、重型钎杆、高强链环、高强钢筋、重载渗碳齿轮等

机器零件用超高强

度准贝氏体钢

BZ-25

BZ-30

正火+低温回火

热轧+低温回火

1570

1849

1310

1581

14.0

10.1

50.0

51.0

71

38

重载弹簧、耐磨板、锥齿、潜孔钻头等

准贝氏体铸钢

ZGBZ-20

ZGBZ-35

正火+低温回火

正火+低温回火

1025

1746

12.0

6.9

30.0

23.0

38

16

需焊接的耐磨构件、衬板、斗齿

准贝氏体钢焊后空冷相变应力较小,抗裂纹能力很大,因而具有优异的焊接性能。其破断抗力较高,并且在磨损过程中残余奥氏体受形变诱发转变为高碳马氏体,因而表现出优良的耐磨性。奥氏体良好的塑性,可以缓解应力集中,协调塑性变形,使钢的成形加工性较一般贝氏体钢更为优越

高强度准贝氏体钢与强度相当的一般钢号力学性能比较

钢号

σb

/MPa

σ0.2

/MPa

δ5

/%

ψ

/%

AkV

/J

钢号

σb

/MPa

σ0.2

/MPa

δ5

/%

ψ

/%

AkV

/J

BZ-11

(准贝氏体钢)

1137

950

17

59

73

40CrNiMoA

≥980

≥835

≥12

≥55

≥41

BZ-15

(准贝氏体钢)

1270

980

15

58

70

18Cr2Ni4WA

≥1175

≥835

≥10

≥45

≥41

Fortweld70

(贝氏体钢)

1164

920

20

62

24

23MnNiCrMo54

≥1180

≥980

≥10

≥45

≥52

本栏有关系列新型准贝氏体钢的常规力学性能数据由西北工业大学康沫狂教授提供,若需详细资料,请向康教授及其课题组索取

低淬透性含钛优质碳素结构钢

含碳量为0.55%~0.70%并含有0.03%~0.10%的Ti

这类钢一般是经正火后再进行感应加热表面淬火

55DTi

正火

830±10

 

550

σ0.2

300

δ5

15

35

   

感应

加热表

面淬火

后54~57

用于齿轮的全齿感应加热表面淬火、获得沿齿廓分布的硬化层,而达到齿轮渗碳时的硬化效果,在某些场合代替渗碳而简化工艺

适用齿轮模数55DTi为≤5mm60DTi为5~8mm

8~10

60DTi

正火

825±10

 

600

σ0.2

350

δ5

14

30

 

10~12.5

70DTi

正火

815±10

 

700

σ0.2

400

δ5

12

25

 

组织、性能特点

和工作条件

牌号

热处理

力学性能≥

 

应用示例

临界淬

透直径

/mm

淬火

/℃

回火

/℃

σb

/MPa

σs

/MPa

δ

/%

ψ

/%

ak

/J·cm-2

硬度

HB

HRC

含碳量≤0.25%(有时达0.4%)

合金钢元素总量一般≤3%,主要有Cr、Mn、Si(提高淬透性),Mo、V(细化晶粒)等

热处理是经强烈淬火获得板条状低碳马氏体,是钢材强韧化的重要途径之一。与调质钢调质相比,强度较高,冷脆转化温度低,而其他性能则与之相当

用在要求具有比调质钢更好的综合力学性能处

16Mn

900℃淬10%盐水,

200℃回火

1440

1220

11.4

40.1

49.8

 

45

代调质钢可获高的强度和韧性,如用15MnVB代40Cr制造螺栓;用大截面低碳马氏体钢20SiMn2MoVA等代替40Cr等调质钢制造吊环、吊卡等石油钻井零件,可大大提高使用寿命

7~10

(>95%M)

20Mn

880℃淬10%盐水,

200℃回火

1500

1260

10.8

42.5

95

 

44

 

20Mn2

880℃淬10%盐水,

250℃回火

1500

1265

12.4

52.5

83

 

45

20MnV

880℃淬10%盐水,

200℃回火

1435

1245

12.5

43.3

89~126

 

45

15~18

(>95%M)

20Cr

880℃淬10%盐水,

200℃回火

1450

1200

10.5

49

≥70

 

45

12~15

(95%M)

20CrMnTi

880℃淬10%NaOH,

水溶液,200℃回火

1510

1310

12.2

57

80~100

 

45

35~40

(95%M)

20CrMnSi

800℃淬水,200℃回火

1575

1315

13

53

93~107

 

47

 

15MnV

880℃淬10%NaCl

水溶液,200℃回火

1390

1169

14.8

63.9

112

 

43

15MnVB

880℃淬10%NaCl

水溶液,200℃回火

1353

1133

12.6

51

95

 

43

12~18

(95%M)

20MnVB

880℃淬10%NaCl

水溶液,200℃回火

1435

1245

12.5

43

 

45

 

20MnTiB

870℃淬10%盐水,

200℃回火

1450

1230

11.3

55

104

   

25MnTiB

850℃油淬,200℃回火

1535

1330

12.5

54

96

   

25MnTiBRE

850℃油淬,200℃回火

1700

1345

13

57.5

95

   

20SiMn2MoVA

900℃油淬,250℃回火

1511

1238

13.4

58.5

160

 

45.8

60~80油

110~120水

(95%M)

25SiMn2MoVA

900℃油淬,250℃回火

1676

1378

11.3

51.0

68

     

18Cr2Ni4WA

890℃油淬,220℃回火

1496

1214

9.3

38.1

   

110~130

(>95%M)

20Cr2Ni4A

880℃油淬,250℃回火

1437

1192

13.8

59.6

 

44.5

 

25Si2Mn2CrNiMoV

450±10

300

1765

1422

13.5

59.3

89

 

534HV

 

40CrNi2Mo

900±10

230

1900

1560

10

35

 

531HV

 

组织、性能特点

和工作条件

牌号

热处理

力学性能≥

 

应用示例

临界淬

透直径

/mm

淬火

/℃

回火

/℃

σb

/MPa

σs

/MPa

δ

/%

ψ

/%

ak

/J·cm-2

硬度

HB

HRC

碳素弹簧钢含碳量为0.6%~0.9%。合金弹簧钢含碳量为0.45%~0.75%

主加元素为Si、Mn,起提高淬透性和强化作用,并加入少量W、V、Cr等防止石墨化和提高弹性极限,屈强比和耐热性的元素

热处理一般是淬火加中温回火,获得回火屈氏体组织,硬度为41~48HRC,个别高强度钢可达47~52HRC。重要弹簧热处理后再喷丸处理,以提高疲劳极限。对高温工作或精密弹簧,有时还进行松驰处理①。对一般f <10mm的小弹簧,冷卷成型后不必淬火,而只进行250~300℃去应力处理

要求高的抗拉强度、高的屈强比、高的疲劳强度(尤其是缺口疲劳)及高的弹性极限,并有足够的塑性和韧性

用在频繁交变载荷下,主要是疲劳破坏

65

840油

500

1000

800

9

35

   

30~45

小于f 12mm的弹簧

7~12

85

820油

480

1100

900

7

30

   

40~50

小于f 12mm的弹簧

65Mn

830油

540

1000

800

8

30

   

35~40

小于f 12mm的弹簧

8~15

55Si2Mn

870

480

1300

1200

6

30

   

45~48

f 20~25mm的弹簧

20~25

60Si2Mn

870油

480

1300

1200

5

25

   

45~48

f 25~30mm的弹簧

25~30

50CrVA

850油

500

1300

1150

δ5

10

40

   

43~45

f 30~50mm的弹簧

30~50

60Si2CrVA

850油

410

1900

1700

δ5

6

20

   

45~52

小于f 50mm的弹簧

50

55SiMnMoVA

880油

550

1400

1300

6

30

   

46~48

小于f 70mm的弹簧

75

55SiMnVB

860油

460

1400

1250

5

30

   

40~45

小于f 50mm的弹簧

50

用于高温、腐蚀以及特殊条件的工作

3Cr13

1050℃油淬,450℃回火

175

σ0.2143

15

46

   

17~50

   

1Cr18Ni9Ti

冷拔钢丝f1mm

冷拔钢丝f4~5mm

180~200

140~160

   

   

0Cr17Ni7Al

(1)1050℃,空冷→950℃,10min+4min/mm,空冷→-73℃,8h→510℃,1h,空冷

(2)1050℃,空冷→60%以上冷加工→480℃,1h,空冷

(1)158

(2)186

147

182

δ46

δ42

   

47

49

   

0Cr15Ni7Mo2Al

(1)164

(2)186

152

182

δ46

δ42

   

48

50

   

Cr12Ni4Mn5Mo5TiAl

冷加工60%→520℃,空冷

185

   

   

00Cr18Co9Mo5TiAl

820℃,30min,空冷→480℃,3h,空冷

206

σ0.2204

11.8

57

   

52~55

   

Cr14Ni25Mo(A286)

980℃,1h,油淬→30%冷加工→650~700℃,8~19h,空冷

127~138

σ0.2110

~121

δ410

~16

43~

52

   

   

Ni36CrTiAlMo8

1000~1050℃水淬→750℃,4h,空冷

140~150

σ0.2110

~115

6~7

   

46

   

Ni42CrTiAl

910℃±10℃水淬→600℃,3h,空冷

120~125

σ0.280

~100

10~15

     

35~38

   

Inconel718

1040℃,1h,空冷→720℃,8h,炉冷,50℃/h→620℃,8h,空冷

139

σ0.2118.5

25

48

         

Co40NiCrMo

1100~1150℃水冷→冷加工→400~450℃,4h,空冷

250~270

σ0.2230

~250

3~5

     

54~58

   

含碳量0.95%~1.15%含铬量0.40%~1.65%,以增加淬透性和耐磨性。对大型轴承常加入Si、Mn、Mo、V,进一步提高淬透性和耐磨性。为保证疲劳强度,S和P分别≤0.020%和≤0.027%

热处理一般是先球化退火,然后淬火加低温回火,得到回火马氏体和分布均匀的细粒状碳化物及少量残余奥氏体,以保证高而均匀的硬度、耐磨性、弹性极限、接触疲劳强度、足够韧性及一定的耐蚀性

精密轴承及偶合件淬火后即进行-80~-70℃冷处理,并在磨削后进行低温时效

要求高而均匀的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性,同时在大气或润滑剂中具有一定的耐蚀能力

用在承受高压而集中的周期性交变载荷,同时不但存在着转动,而且还有由于滑动产生极大的摩擦处

GCr6

800~820

150~170

           

62~64

小于f13mm滚珠

f10mm滚柱

 

GCr9

810~830

150~170

           

62~64

小于f20mm滚珠

f17mm滚柱

 

GCr9SiMn

810~830

150~160

           

62~64

f25~50mm滚珠

f18~22mm滚柱

 

GCr15

820~840

150~16

           

62~64

f25~50mm滚珠

柴油机精密耦件

 

GCr15SiMn

820~840

150~170

           

62~64

f50~100mm滚珠

大于f22mm滚柱

 

GSiMnV

780~820

160

           

62~64

代GCr15

 

GSiMnMoV

780~820

160

           

62~64

代GCr15

GCr15SiMn

 

GSiMnMoVRE

805

150

           

62~64

代GCr15

GCr15SiMn

 

含碳量:马氏体不锈钢0.1%~0.4%;铁素体不锈钢≤0.12%~0.15%;奥氏体不锈钢≤0.2%

不锈钢含大量的Cr和Ni,作用是提高电极电位,形成Cr2O3保护膜,当Cr≥11.7%时可使钢成为单一合金铁素体组织,大量的Cr和Ni可使钢呈单一奥氏体状态

马氏体型钢靠热处理强化,得回火索氏体或回火马氏体,有较高强度、硬度和耐磨性,抗蚀性一般

铁素体型钢和奥氏体型钢不能用热处理强化,主要靠形变强化①

铁素体型钢一般经退火(防晶间腐蚀)使用,可抗硝酸,抗高温氧化,抗腐蚀性好。强度较低,切削加工性比奥氏体型钢好

奥氏体型钢一般进行固溶处理②,对含Ti和Nb的钢必须进行稳定化处理和去应力处理。抗蚀性强,塑性韧性好,切削加工性差

在酸、碱、盐类溶液中、潮湿大气中或在高温下的蒸汽和气体作用下工作,一般承受压力或交变载荷,易发生电化学或化学腐蚀处

马氏体型

0Cr13

100~1050

水、油

700~790

500

350

24

60

     

用于抗弱腐蚀介质,受冲击载荷的零件,如汽轮机叶片、水压机阀、内燃机车水泵轴、结构架、螺栓、螺帽等

 

1Cr13

100~1050

水、油

700~790

600

430

20

60

90

   

2Cr13

100~1050

水、油

660~770

660

450

16

55

80

   

3Cr13

100~1050

水、油

200~300

1600

1300

3

4

   

48

用于具有较高硬度和耐磨性的医疗器具、量具、刃具、针阀、弹簧等

4Cr13

1050~1100油

200~300

1680

1400

4

8

   

50

9Cr18

1000~1050油

200~300

           

55

滚珠轴承、刃具、量具、内燃机车动密封环等

铁素体型

Cr17

退火750

~800

400

250

20

50

20~80

156

 

用于硝酸及食品工业设备等

Cr17Mo2Ti

退火750

~800

500

300

20

55

 

145

 

用于有机酸及人造纤维工厂设备等

奥氏体型

0Cr18Ni9

1080~

1130水

500

200

45

60

     

化工用冲压耐蚀件焊条的焊芯等

1Cr18Ni9

1100~

1150水

550

200

45

50

     

用于耐酸设备、抗磁仪表、医疗器械等

2Cr18Ni9

1100~

1150水

580

220

40

55

     

1Cr18Ni9Ti③

 

520

200

40

55

     

Cr18Ni18Mo

2Cu2Ti

1050~

1100水

650

230

40

55

     

耐热钢应有良好的热安定性(对高温气体的腐蚀抗力)和热强性,主要是防晶间氧化,基本途径是合金化。主加合金元素是Cr、Si、Al,以生成致密氧化保护膜。同时加入W、Mo、V等能提高钢的再结晶温度,明显提高高温强度的元素Si、Al造成的氧化层在高温下变脆,而且Al的氧化层易剥落,所以需与Cr配合使用

在高温下承受不同机械载荷或同时承受摩擦的条件下工作

珠光体型

15CrMo

930~960

空冷

680~730

450

240

21

 

48

   

≤550℃工作的零件,如过热器,高中压蒸气导管等

 

12Cr1MoV

980~1020

空冷

720~760

480

260

21

 

48

   

1Cr12WMoV

1000油

680~700

750

600

15

48

48

   

580℃以下的汽轮机叶片

4Cr9Si2

1050油

700油

900

600

20

55

     

650℃以下的内燃机排气阀

奥氏体型

1Cr18Ni9Ti③

1100~1150

520

200

40

55

     

适于在500~650℃工作的零件,如喷气发动机排气管,柴油机排气阀

4Cr14Ni14W

2MoTi

1170~

1200

固溶

750时效

720

320

15

35

40

   

镍基合金

Cr20Ni44MoW

1130~

1180

空冷

750

 

40

       

用于700~1000℃工作的零件,如汽轮机叶片、燃烧室等

耐磨钢

最常用的是高锰钢ZGMn13,含碳量1.0%~1.3%,含锰11%~14%,高锰钢只有在全部获得奥氏体组织时才呈现出最良好的韧性和抗磨性。而且奥氏体只有在受到剧烈的冲击力或压力时产生加工硬化后,才能提高硬度(450~550HB),具有高的抗磨性

热处理是经水韧处理获得单一奥氏体

在同时受到严重磨损及强烈冲击的条件下工作

水韧处理

1050~1100℃加热,淬入<20℃盐水

560~

700

300

15

15

150~

200

180~

200

 

用于工作时受严重磨损及强烈冲击的工件,如挖掘机斗,齿斗、铁道道岔、拖拉机、破碎机的颚板和坦克履带板等

 

含碳量2.5%~4.0%,硅1.0%~3.0%及少量的锰、硫和磷

普通灰铸铁组织为铁素体或珠光体加片状石墨,经孕育处理的变质铸铁为在细珠光体基体上分布着细小片状石墨

灰铸铁的抗拉强度较低,但具有良好的耐磨性、消震性和工艺性能

用于承受压力和要求消震性或经受摩擦的条件

铁素体灰铸铁

HT100

一般只进行去应力退火(高温时效)。表面有白口时,用850~900℃退火消除之,对机床导轨等耐磨件可用高(中)频或电接触加热表面淬火处理。淬硬层:电接触加热为0.15~0.35mm;高频加热为1.1~2.5mm;中频加热为3~4mm。硬度>50HRC

100

           

手工铸造用砂箱、盖、下水管、底座、水轮等

 

铁素体-

珠光体灰铸铁

HT150

150

           

底座、手轮、刀架、水泵壳、阀体、阀盖等

珠光体灰铸铁

HT200

200

           

汽缸体、缸盖、飞轮、机床床身等

变质铸铁

HT250

HT300

HT350

250

300

350

           

机床床身、立柱、机座、汽缸体,凸轮。机床导轨等需表面淬火的铸件

大致化学成分为3.8%~4.0%C,2.0%~2.8%Si,0.6%~0.8%Mn,<0.1%P,<0.04%S,0.03%~0.08%Mg

组织为球状石墨和基体,基体依成分、铸造冷速、热处理而不同,有铁素体、铁素体+珠光体、珠光体、回火索氏体,下贝氏体等

球墨铸铁中的石墨呈球形,对基体削弱作用和应力集中的程度较小,故可与钢一样,可用表面合金化和热处理强化进一步提高力学性能

球墨铸铁抗拉强度较高,小能量多次冲击下的疲劳强度拉近于钢,而σs/σb比钢约高40%,耐磨性也比钢好。但消震性比灰铸铁差

铁素体球铁

QT400-17

QT420-10

相应热处理

退火

400

420

σ0.2

250

270

17

10

 

60

30

≤197

≤207

 

汽车、拖拉机底盘零件,阀门的阀盖和阀体

 

铁素体-珠

光体球铁

QT500-05

相应热处理

退火

500

σ0.2

350

5

 

147~

241

 

机油泵齿轮等

珠光体球铁

QT600-02

QT700-02

相应热处理

正火

600

700

σ0.2

420

490

2

2

 

229~302

231~304

 

柴油机、汽油机的曲轴,机床主轴等

回火索氏

体基体球铁

QT800-02

相应热处理

调质

800

σ0.2

560

2

 

241~321

 

空压机、冷冻机的缸体、缸套等

下贝氏体

基体球铁

QT1200-01

相应热处理

等温淬火

1200

σ0.2

840

1

 

30

 

≥38

汽车、拖拉机齿轮,柴油机凸轮轴等

塑性较高,有一定强度,作普通零件及金属结构件用

Q195、Q215

Q235

一般不经热处理而直接采用

普通低

合金钢

含碳量<0.2%,合金元素<3%,但σb尤其是σs比相等含碳量的碳素结构钢高;并有更低的冷脆临界温度,加入Mn、Si等元素主要是对铁素体的固溶强化和细化晶粒等

普通低合金钢一般在正火状态使用,其组织为铁素体+索氏体

制造中等应力的零件

Q255

Q275

一般也可经正火或调质处理

注:① 是对弹簧预先加上一个超过其工作载荷的变形量(弹性变形),然后固定起来加热,温度略高于弹簧的工作温度,保温8~24h,使弹簧预先发生了应力松弛和永久变形,从而使其以后在工作中的松弛现象大大减轻,达到尺寸稳定的目的。

② 是指把合金加热到适当温度,保温,使其中某些组成物溶解到基体里形成均匀的固溶体,然后迅速冷却,使溶入物留在基体内成为过饱和固溶体,从而改善其延展性和韧性的处理。

③ 除专用外,一般情况下,不推荐使用。

工作图上应注明的热处理要求

方法

一  般  零  件

重  要  零 件

(1)热处理方法

(2)硬度:标注波动范围一般为HRC在5个单位左右;HB在30~40个单位左右

(1)热处理方法

(2)零件不同部位的硬度

(3)必要时提出零件不同部位的金相组织要求,例如

已知

各种硬度的近似换算式

适用范围

零件

名称

材料

热处理

硬度

金相组织

HRA

HRC≈2HRA-(101~101.6)

39~51

HRC

连杆

螺栓

40Cr

调质

31HRC

回火索氏体,不允许有块状铁素体

HRC≈2HRA-(101.8~102.4)

52~61

HRC

柴油机

凸轮轴

QT600-3

等温淬火

45~50

HRC

下贝氏体+球状石墨

HRC≈2HRA-(102.6~102.8)

63~65

HRC

汽车

板簧

60Si2Mn

淬火、

回火

40~45

HRC

回火屈氏体

HRC

HB≈2500/[(118~101)-HRC]

30~51

HRC

铲齿

ZGMn13

水韧处理

180~220

HB

奥氏体

HRB

HB≈7300/(135-HRB)

 

心算可粗略为:HRC≈1/10HB;

当HB<400时HV≈HB;HB≈7HS

车床

主轴

45

整体调质轴

颈高频淬火

200~230

HB

45~50

HRC

回火索氏体

回火马氏体

表面

淬火

(1)热处理方法

(2)硬度

(3)淬火区域

(1)热处理方法,必要时提出预先热处理要求;

(2)表面淬火硬度、心部硬度;

(3)淬硬层深度;

(4)表面淬火区域;

(5)必要时提出变形要求

(1)热处理方法

(2)硬度

(3)渗层深度:目前工厂多用下述方法确定

(1)热处理方法

(2)淬火、回火后表面硬度、心部硬度;

(3)渗碳层深度;

(4)渗碳区域;

(5)必要时提出渗碳层含碳量,一般在下述范围

使用场合

深  度

状态

含碳量/%

碳素渗碳钢

由表面至过渡层1/2处

表面过共析区

共析区

亚共析

(过渡)区

含铬渗碳钢

由表面至过渡层2/3处

炉冷

0.9~1.2

0.7~0.9

<0.7

合金渗碳钢汽车齿轮

过共析、共析、过渡区总和

空冷

1.0~1.2

0.6~1.0

<0.6

(4)渗碳区域

(6)必要时提出心部金相组织要求

(1)热处理方法

(2)表面和心部硬度(表面硬度用HV或HRA测定)

(3)氮化层深度(一般应≤0.6mm)

(4)氮化区域

(1)热处理方法

(2)除一般零件几项要求外,还需提出心部力学性能

(3)必要时,还要提出金相组织及对渗氮层脆性要求(直接用维氏硬度计压头的压痕形状来评定,评定级别见表表面热处理方法、化学热处理方法、特点和应用)

碳氮

共渗

(1)中温碳氮共渗与渗碳同

(2)低温碳氮共渗与氮化同

(1)中温碳氮共渗与渗碳同

(2)低温碳氮共渗与氮化同

金属热处理工艺分类及代号的表示方法(GB/T 12603—1990)

1-385

多工序热处理工艺代号用破折号将各工艺代号连接组成,但除第一个工艺外,后面的工艺均省略第一位数字“5”如5151-331G表示调质和气体渗氮

基  础  分  类

附  加  分  类

 

工艺

名称

加热

方法

1.加热

2.退火

3.淬火冷却

4.渗碳、

碳氮共渗

后冷却

 

介质

代号

(大写)

工艺

代号

介质

方法

代号

介质

方法

代号

方法

代号

 

5

1

退火

1

加热

1

固体

S

去应

力退

e

空气

a

压力

淬火

p

直接

淬火

g

 

正火

2

 

淬火

3

 

淬火和回火

4

感应

2

液体

L

扩散

退火

d

e

双液

淬火

d

 

调质

5

 

稳定化处理

6

火焰

3

气体

G

再结

晶退

r

w

分级

淬火

m

一次

加热

淬火

r

 

固溶处理;水韧处理

7

 

固溶处理和时效

8

 

电阻

4

真空

V

石墨

化退

g

盐水

b

等温

淬火

n

 

2

表面淬火和回火

1

 

物理气相沉积

2

 

化学气相沉积

3

激光

5

保护

气氛

P

去氢

退火

h

有机

水溶

y

形变

淬火

f

二次

加热

淬火

t

 

等离子体化学气相沉积

4

 

3

渗碳

1

电子束

6

可控

气氛

C

球化

退火

s

盐浴

s

冷处

z

 

碳氮共渗

2

 

渗氮

3

 

氮碳共渗

4

等离

子体

7

流态

F

等温

退火

n

       

表面

淬火

h

 

渗其他非金属

5

 

渗金属

6

其他

8

                 

多元共渗

7

 

熔渗

8

 

1.当附加分类工艺代号多于一个字母时,按表中序号顺序标注

2.当对冷却介质及方法需要用表中二个以上字母表示时,用加号将二个或几个字母连接起来,如s+m代表盐浴分级淬火

3.化学热处理中,没有表明渗入元素的各种工艺,如多元渗、渗金属、渗其他非金属和熔渗,可以在其代号后用其化学符号表示出渗入元素,并用括号括起来,如5336(Cr),5337(Cr-V)分别代表渗铬和铬钒共渗

4.多工序热处理工艺代号用破折号将各工艺代号连接组成,但除第一个工艺外,后面的工艺均省略第一位数字“5”如5151——331G表示调质和气体渗氮

 

常用热处理工艺及代号的表示方法示例

工艺

代号

热处理

5000

感应热处理

5002

火焰热处理

5003

激光热处理

5005

电子束热处理

5006

离子热处理

5007

真空热处理

5000V

保护气氛热处理

5000P

可控气氛热处理

5000C

流态床热处理

5000F

整体热处理

5100

退火

5111

去应力退火

5111e

扩散退火

5111d

再结晶退火

5111r

石墨化退火

5111g

去氢退火

5111h

球化退火

5111s

等温退火

5111n

正火

5121

淬火

5131

空冷淬火

5131a

油冷淬火

5131e

水冷淬火

5131w

盐水淬火

5131b

有机水溶液淬火

5131y

盐浴淬火

5131s

压力淬火

5131p

双液淬火

5131d

分级淬火

5131m

等温淬火

5131n

形变淬火

5131f

淬火及冷处理

5131z

感应加热淬火

5132

真空加热淬火

5131V

保护气氛加热淬火

5131P

可控气氛加热淬火

5131C

流态床加热淬火

5131F

盐浴加热淬火

5131L

盐浴加热分级淬火

5131Lm

盐浴加热盐浴分级淬火

5131Ls+m

淬火和回火

5141

调质

5151

稳定化处理

5161

固溶处理,水韧处理

5171

固溶处理和时效

5181

表面热处理

5200

表面淬火和回火

5210

感应淬火和回火

5212

火焰淬火和回火

5213

电接触淬火和回火

5214

激光淬火和回火

5215

电子束淬火和回火

5216

物理气相沉积

5228

化学气相沉积

5238

等离子体化学气相沉积

5248

化学热处理

5300

渗碳

5310

固体渗碳

5311S

液体渗碳

5311L

气体渗碳

5311G

真空渗碳

5311V

可控气氛渗碳

5311C

流态床渗碳

5311F

离子渗碳

5317

渗碳及直接淬火

5311g

气体渗碳及直接淬火

5311Gg

渗碳及一次加热淬火

5311r

渗碳及二次加热淬火

5311t

渗碳及表面淬火

5311h

碳氮共渗

5320

渗碳

5330

液体渗氮

5331L

气体渗碳

5331G

离子渗碳

5337

流态床渗氮

5331F

氮碳共渗

5340

渗其他非金属

5350

渗硼

5350(B)

固体渗硼

5351(B)S

液体渗硼

5351(B)L

离子渗硼

5357

渗硅

5350(Si)

渗硫

5350(S)

渗金属

5360

渗铝

5360(Al)

渗铬

5360(Cr)

渗锌

5360(Zn)

渗钒

5360(V)

多元共渗

5370

硫氮共渗

5370(S-N)

铬硼共渗

5370(Cr-B)

钒硼共渗

5370(V-B)

铬硅共渗

5370(Cr-Si)

硫氮碳共渗

5370(S-N-C)

铬铝硅共渗

5370(Cr-Al-Si)

熔渗

5380

激光熔渗

5385

电子束熔渗

5386

最低表面硬度最小有效硬化层深度与试验力之间的关系(JB/T 8555—1997)

最小有效硬化层深度

/mm

最低表面硬度HV

400~500

>500~600

>600~700

>700

0.05

HV0.5

HV0.5

HV0.5

0.07

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV1

0.08

HV0.5

HV0.5

HV1

HV1

0.09

HV0.5

HV1

HV1

HV1

0.1

HV1

HV1

HV1

HV1

0.15

HV3

HV3

HV3

HV3

0.2

HV5

HV5

HV5

HV5

0.25

HV5

HV5

HV10

HV10

0.3

HV10

HV10

HV10

HV10

0.4

HV10

HV10

HV10

HV30

0.45

HV10

HV10

HV30

HV30

0.5

HV10

HV30

HV30

HV50

0.55

HV30

HV30

HV50

HV50

0.6

HV30

HV30

HV50

HV50

0.65

HV30

HV50

HV50

HV50

0.7

HV50

HV50

HV50

HV50

0.75

HV50

HV50

HV50

HV100

0.8

HV50

HV100

HV100

HV100

0.9

HV50

HV100

HV100

HV100

1.0

HV100

HV100

HV100

HV100

最小有效硬化层深度

/mm

最  低  表  面  硬  度(以HR…N表示)

82~85

HR15N

>85~88

HR15N

>88

HR15N

60~68

HR30N

>68~73

HR30N

>73~78

HR30N

0.1

HR15N

0.15

HR15N

HR15N

0.2

HR15N

HR15N

HR15N

0.25

HR15N

HR15N

HR15N

HR30N

0.35

HR15N

HR15N

HR15N

HR30N

HR30N

0.4

HR15N

HR15N

HR15N

HR30N

HR30N

HR30N

0.5

HR15N

HR15N

HR15N

HR30N

HR30N

HR30N

≥0.55

HR15N

HR15N

HR15N

HR30N

HR30N

HR30N

最小有效硬化层深度

/mm

最  低  表  面  硬  度(以HR…N表示)

>78

HR30N

44~54

HR45N

>54~61

HR45N

>61~67

HR45N

>67

HR45N

0.1

0.15

0.2

HR30N

0.25

HR30N

0.35

HR30N

HR45N

0.4

HR30N

HR45N

HR45N

0.5

HR30N

HR45N

HR45N

HR45N

≥0.55

HR30N

HR45N

HR45N

HR45N

HR45N

以洛

氏硬

度A

标尺

或C

标尺

表示

最小有效硬化层深度

/mm

最  低  表  面  硬  度

HRA

HRC

70~75

>75~78

>78~81

>81

>40~49

>49~55

>55~60

>60

0.4

HRA

0.45

HRA

HRA

0.5

HRA

HRA

HRA

0.6

HRA

HRA

HRA

HRA

0.8

HRA

HRA

HRA

HRA

HRC

0.9

HRA

HRA

HRA

HRA

HRC

HRC

1.0

HRA

HRA

HRA

HRA

HRC

HRC

HRC

1.2

HRA

HRA

HRA

HRA

HRC

HRC

HRC

HRC

表面淬火界限硬度值(JB/T 8555—1997)

界限硬度值

HV

最  低  表  面  硬  度

HRA

HR15N

HR30N

HR45N

HV

HRC

250

65~70

75~76

51~53

32~35

300~330

32~33

275

68

77~78

54~55

36~38

335~355

34~36

300

69~70

79

56~58

39~41

360~385

37~38

325

71

80~81

59~62

42~46

390~420

40~42

350

72~73

82~83

63~64

47~49

425~455

43~45

375

74

84

65~66

50~52

460~480

46~47

400

75

85

67~68

53~54

485~515

48~49

425

76

86

69~70

55~57

520~545

50~51

450

77

87

71

58~59

550~575

52~53

475

78

88

72~73

60~61

580~605

54

500

79

89

74

62~63

610~635

55~56

525

80

75~76

64~65

640~665

57

550

81

90

77

66~67

670~705

58~59

575

82

78

68

710~730

60

600

91

79

69

735~765

61~62

625

83

80

70

770~795

63

650

92

81

71~72

800~835

64

675

84

82

73

840~865

65

最小有效渗氮层深度最低表面硬度与试验力之间的关系(JB/T 8555—1997)

最小有效渗

氮层深度

/mm

最  低  表  面  硬  度  HV

200~300

>300~400

>400~500

>500~600

>600~700

>700~800

>800

0.05

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV0.5

0.07

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV1

HV1

0.08

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV1

HV1

HV1

0.09

HV0.5

HV0.5

HV0.5

HV1

HV1

HV1

HV1

0.1

HV0.5

HV1

HV1

HV1

HV1

HV1

HV3

0.15

HV1

HV1

HV3

HV3

HV3

HV3

HV5

0.2

HV3

HV3

HV5

HV5

HV5

HV5

HV5

0.25

HV3

HV5

HV5

HV5

HV10

HV10

HV10

0.3

HV5

HV5

HV10

HV10

HV10

HV10

HV10

0.4

HV5

HV10

HV10

HV10

HV10

HV30

HV30

0.45

HV10

HV10

HV10

HV10

HV30

HV30

HV30

0.5

HV10

HV10

HV10

HV30

HV30

HV30

HV30

0.55

HV10

HV10

HV30

HV30

HV30

HV50

HV50

0.6

HV10

HV10

HV30

HV30

HV50

HV50

HV50

0.65

HV10

HV30

HV30

HV50

HV50

HV50

HV50

0.7

HV10

HV30

HV50

HV50

HV50

HV50

HV50

0.75

HV20

HV30

HV50

HV50

HV50

HV100

HV100

注:表内检验方法通常是指允许采用最大试验力,允许用较低的试验力代替表中规定的试验力,如用HV10代替 HV30。

常见的热处理技术要求的标注错例

热处理

要求

摇杆

机床主轴

表面硬化

b1d6d18a

b1d6d18b

问题

要求硬化处理部位不明确

影响

从左图所示摇杆标注的技术要求,可以理解为外表面全部要求表面硬化,也可以理解为伸出的两端指引线所指示处局部表面硬化。从右图所示的机床主轴可知,要求两段表面淬硬,但其左边一段长80mm的位置没有标注,这样给制定热处理工艺和施工带来困难

正确的方法应按JB/T8555—1997或GB/T131规定,在需要局部淬硬的部位用点画线框出

热处理要求

弧齿锥齿轮

采用40Cr钢高频感应加热淬火、硬度

b1d6d18c

40Cr-G52(齿部)

某厂设计师建议改用下列要求

20Cr-S-G59,或40Cr-D500,或20Cr-D600

问题

同时提出几种工艺要求,令工艺人员无所适从

影响

图纸原始热处理要求40Cr-G52(齿部)。高频感应加热淬火工艺虽有许多优点,但受设备频率、功率、零件结构形状、生产批量等许多条件制约。弧齿锥齿轮采用普通高频设备(如250kHz高频或80kHz中频)都难以达到理想的仿齿形硬化分布效果,工艺性很差

某厂设计师建议改用20Cr-S-G59(20Cr钢、渗碳、高频淬火、59HRC)或40Cr-D500(40Cr、渗氮、硬度500HV)或20Cr-D600(20Cr钢、渗氮、硬度600HV)

这种建议叫工艺人员无所适从。它的要求到底是什么?高频感应加炉淬火52HRC合格,20Cr钢渗碳59HRC也行,渗氮后500~600HV都可以。而且渗氮层有效深度DN也没有提出来,说明设计者对该零件准确的技术要求心中无数

此建议还有下列问题:

①热处理工艺有许多种,各种工艺都有其特点,相应地适用于某钢种(如渗氮适用于渗氮钢,有最佳效果)以及达到何种最佳性能。某种工艺适用于某种类型的零件,有的可以互相替代,但大多数是不能替代的,随意更换容易出错

②硬度互相替代也易出错。硬度是大多数零件的热处理技术要求,硬度的测量方法有多种(常用的有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度、努氏硬度等),它们依据的原理不同,测量方法不同,适用于不同场合。它们之间的差别有时很悬殊。在理论上它们没有简单准确的对应关系作为换算的基础。现在有一些换算经验公式或对照表,只是根据对同类金属材料,在相同状态下和一定硬度范围内进行比较试验,在积累了大量数据以后,经过分析而归纳出来的经验关系,有一定的实用价值。但在不少情况下是不能互相替代的。如薄硬化层的渗氮零件,只能用维氏硬度、努氏硬度或表面洛氏硬度(负荷≤30kgf)测定。若硬度要求标注大负荷的洛氏硬度HRC(C级,150kgf),是不合适的。大负荷会把硬化层压穿,测量结果不可能正确

③表面硬化的化学热处理工艺,渗碳、渗氮应用最广,在技术要求中不提出硬化层深度是不对的。提得不准确、不合理也是不对的,硬化层不是越深越好,过深不仅浪费能源、工时,增加成本,延长生产周期,而且对性能(尤其是疲劳性能)有害

热处理

要求指

标值应

有允差

任何一个零件的尺寸和形状都有允许偏差,硬度或硬化层深度也有允差,任何一种测量方法的结果都有一个允许的误差。热处理技术要求的指标值也同样,在提出热处理技术指标值时,应该有一个合理的范围,既保证了零件的质量,又保证有一定的经济性(合格率)和测量方便。常规情况下设计或工艺提出的允差值均应在标准范围内。热处理技术要求的硬度允差,化学热处理渗层深度的允差值,在热处理工艺行业标准中均有规定,可供参考

注:不同材质零件的有效硬化层深度要求,各行业都有标准规定,可参考。

零件的工作条件、损坏形式、力学性能指标及概略关系

零件

名称

工作条件

主要损坏形式

主要力学

性能指标

几种力学性能的概略关系

重要螺栓

拉应力或交变拉应力,冲击载荷(连杆螺栓受切应力)

过度塑性变形或由疲劳破坏造成断裂

σ-1lσ0.2、HB

1.σb一般是随硬度的提高而增加,σb愈高σs愈高[调质:σs≈(0.75~0.85)σb;正火:σs≈0.5σb],δψ愈低,而含碳量C为0.2%~0.6%的各种钢的淬火马氏体的硬度HRC≈

2.σ-1一般与σb成正比(碳钢σ-1≈0.43σb,合金钢σ-1≈0.35σb+12),但当σb>1000MPa后,σ-1增加不再显著,而主要依钢的组织而异。在σb相同条件下,马氏体回火组织比正火或退火组织具有较高的σ-1,因此,要提高σ-1,既要选用σb较高的材料,又要有适宜的淬透性

σ-1还和零件的结构形式、表面质量以及表层中残留应力的类型有关,拉应力有害,压应力有利。因此,要提高σ-1还应注意降低表面粗糙度数值,防止热处理时产生氧化、脱碳等现象,并尽可能用圆角过渡,以免应力集中,形成疲劳源;还可用渗碳、渗氮、高频淬火、喷丸和滚压等方法来提高σ-1

3.aK值只是表示材料在一次冲击下能承受最大冲击能量的抗力指标,但在实际工作中,不少情况是零件承受能量不大的反复冲击,此时零件的耐力不仅与aK值有关,也与σ-1有关;一般aK值与σb成反比,而σ-1与σb成正比。因此,对于承受冲击作用的零件,要提高其强度,不能片面强调aK值,应根据具体情况考虑。生产实践证明,在小能量和较高频度的冲击作用下,要提高零件寿命,还应适当降低aK值,而增大σb,根据试验,相应的最佳硬度为40HRC左右

4.KIC为平面应变断裂脆性,代表一个裂纹源失稳扩张的强度因子临界值。,式中ac裂纹深度,σc断裂应力,Y裂纹形状因子(常见的半椭圆表面裂纹Y≈1.4)。例如40Cr热处理到52HRC,此时,σs≈1500MPa,KIC≈1500N/mm3/2则对ac=1mm裂纹,发生脆断。若处理到46HRC,σs≈1300MPa,KIC≈2200mm3/2时,σc≈1570MPa>σs,则不会脆断,而许用应力要比处理到52HRC为高,这是40Cr齿轮心部硬度过高后崩齿的一个实例。但KIC过高,降低σb、σs则易于疲劳破坏,因此原则是在不发生脆断的前提下,尽可能提高强度

重要传动齿轮

交变弯曲应力、交变接触压应力、冲击载荷、齿表面带滑动的滚动摩擦

齿的折断、过度磨损、疲劳麻点、剥落、压塌、磨损为主

σ-1、σw(接触疲劳强度)、HRC

轴、曲轴

交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷、局部磨损

局部过度磨损、疲劳断裂、以疲劳为主

σ0.2、σ-1、HRC

凿岩机

活塞

小能量多次冲击、交变应力

疲劳折断,冲击端部塑性变形,崩裂,过度磨损

σ-1lKIC

弹簧

交变应力、振动

弹性丧失、疲劳断裂

σe、σs/σb、σ-1l

滚动轴承

点接触或线接触下的交变压应力、磨损

过度磨损、疲劳断裂

σe、σr、σ-1l、HRC

抽油杆

腐蚀疲劳

脆性断裂

σ-1l

石油

射孔器

高温大能量瞬时冲击(火药爆炸)

过度塑性变形至开裂

σb、σs

ψ、aK

刹车鼓

热疲劳、磨损

龟裂、磨损

HRC

泥浆泵

活塞杆

磨损、冲刷、疲劳

磨损、脆断

HRC、σ-1l

石油裂

化管等

高温、蠕变、腐蚀

塑性变形至断裂,或脆性断裂

 

石油钻

井钻头

接触疲劳、多次冲击、磨损

脆性断裂、磨损

σw(接触疲劳强度)、HRC

石油钻

机吊环

循环周期长的周期变动载荷,磨损,有时有大的冲击载荷、低温

磨损、疲劳断裂

σb、σ0.2、HB、缺口敏感性小、过载敏感性小,适应低温

拖拉机

履带板

主要承受压力和一定的冲击载荷

磨损、节销断裂

σb、aK、HRC

注:σ-1l——对称拉伸或压缩应力时的疲劳极限。

硬度选择

零件结构特点、工作条件

选  择  要  点

承受均匀的静载荷、没有引起应力集中的缺口的零件

硬度越高,强度越高,可根据载荷大小,选择较高的硬度或与强度相适应的硬度(缺口一般是指槽、沟或断面变化很大)

有产生应力集中的缺口的零件

需要较高的塑性,使其在承载情况下,应力分布趋于均匀,减少应力集中现象,只能具有适当的硬度。如工作情况下不允许降低硬度,则可用滚压等表面强化处理,改善应力分布

承受冲击、疲劳应力的零件

冲击不大时,一般可用中碳钢全部淬硬;冲击力较大,一般用中碳钢全部淬硬,或表面淬硬;冲击力和疲劳应力都大时,一般是表面淬硬

从磨损或精度要求出发的零件

高速度或高精度一般要求硬度50~62HRC,如滚子轴承,中速度一般采用中硬度40~45HRC;低速度一般采用低硬度,正火或调质硬度220~260HB

从尺寸零件,如汽轮机转子轴

轴径很大,虽然转速很高(3000r/min),但由于不可能淬到很高的硬度(一般只能达220HB左右),便不能一律要求高速度高硬度,而要通过降低配合件的硬度和其他措施来处理

摩擦副或两对相互摩擦的零件的硬度差

机床主轴

在滑动轴承中运转时:轴瓦用巴氏合金硬度低,约30HB左右,轴颈表面硬度可低些,一般为45~50HRC;锡青铜硬度高,一般约60~120HB,轴颈表面硬度相应要高一些,约≥50HRC;钢质轴承硬度更高,轴颈表面硬度则需要更高一些,因此还需要渗氮处理

有些带内锥孔或外圆锥度的主轴,工作时和配件并无相对滑动,但配件装配频繁,为了保证配合的精度与使用寿命,也必须提高主轴的耐磨性,一般硬度>45HRC

传动齿轮

小齿轮齿面硬度一般比大齿轮齿面硬度高25~40HB

螺母与螺栓

螺母材料比螺栓低一级,硬度低20~40HB(可以避免咬死和减少磨损)

滚珠丝杠副

丝杠(GCr15SiMn)58~62HRC,螺母(GCr15)60~62HRC,钢球(GCr6)62~65HRC

传动链

链轮齿按工作条件和材料不同取40~45HRC、45~50HRC、50~58HRC。套筒滚子链的销轴表面硬度≥80HRA,滚子表面硬度76~80HRA,滚子表面硬度74~78HRA

起重机等的转盘的滚子与转动轨道①

滚子:购买。柱:GCr15SiMn,淬火60~65HRC。转动轨道表面硬度:材料50Mn,淬火50~55HRC,淬硬深2.5~4mm

起重机车轮与钢轨

轮缘踏面硬度≥200~300HB;钢轨轨面硬度≥220HB

整体淬火后的硬度与材料有效厚度关系的经验数据如下表

设计要求的硬度应小于最低值,不然就需改选材料来满足高的硬度要求

材  料

热 处 理

截  面  有  效  厚  度/mm

<3

4~10

11~20

20~30

30~50

50~80

80~120

淬  火  后  硬  度/HRC

15

渗碳、水淬

58~65

58~65

58~65

58~65

58~62

50~60

 

15

渗碳、油淬

58~62

40~60

         

35

水淬

45~50

45~50

45~50

35~45

30~40

   

45

水淬

54~59

50~58

50~55

48~52

45~50

40~45

25~35

45

油淬

40~45

30~35

         

T8

水淬

60~65

60~65

60~65

60~65

56~62

50~55

40~45

T8

油淬

55~62

           

20Cr

渗碳、油淬

60~65

60~65

60~65

60~65

56~62

45~55

 

40Cr

油淬

50~60

50~55

50~55

45~50

40~45

35~40

 

35SiMn

油淬

48~53

48~53

48~53

   

35~40

 

65SiMn

油淬

58~64

58~64

50~60

48~55

45~50

40~45

35~40

GCr15

油淬

60~64

60~64

60~64

58~63

52~62

48~50

 

CrWMn

油淬

60~65

60~65

60~65

60~64

58~63

56~62

56~60

注:① 北京起重机器厂资料。

零件的失效原因和工作条件对硬化层深度的要求(感应加热淬火)

失效原因

工  作  条  件

硬化层深度及硬度值要求

磨损

滑动磨损且负荷较小

以尺寸公差为限,一般1~2mm,硬度55~63HRC,可取上限

载荷较大或承受冲击载荷

一般在2.0~6.5mm之间,硬度55~63HRC,可取下限

疲劳

周期性弯曲或扭转载荷

一般为2.0~12mm,中小型轴类可取半径的10%~20%,直径小于40mm取下限;过渡层为硬化层的25%~30%

注:齿轮硬化层深度(mm)一般取0.2~0.4mm为齿轮模数。

表面淬火有效硬化层深度分级和相应的上偏差(JB/T 8555—1997)       mm

DS

上 偏 差

DS

上 偏 差

感应淬火

火焰淬火

感应淬火

火焰淬火

0.1

0.1

1.6

1.3

2.0

0.2

0.2

2.0

1.6

2.0

0.4

0.4

2.5

1.8

2.0

0.6

0.6

3.0

2.0

2.0

0.8

0.8

4.0

2.5

2.5

1.0

1.0

5.0

3.0

3.0

1.3

1.1

     

推荐的DC、DN和化合物层厚度及其上偏差(JB/T 8555—1997)     mm

推荐的DC及上偏差

DC

上偏差

DC

上偏差

0.05

0.03

1.2

0.5

0.07

0.05

1.6

0.6

0.1

0.1

2.0

0.8

0.3

0.2

2.5

1.0

0.5

0.3

3.0

1.2

0.8

0.4

   

推荐的一般零件的DN及上偏差

DC

上偏差

DC

上偏差

0.05

0.02

0.35

0.15

0.1

0.05

0.4

0.20

0.15

0.05

0.50

0.25

0.2

0.1

0.6

0.3

0.25

0.1

0.75

0.3

0.3

0.1

   

推荐的化合物层厚度及上偏差

化合物层厚度

上偏差

0.005

0.003

0.008

0.004

0.010

0.005

0.012

0.006

0.015

0.008

0.020

0.010

0.024

0.012

注:DC—渗碳后淬火回火或碳氮共渗后淬火回火有效硬化层深度代号。

DN—有效渗氮层深度代号。

金相组织的确定

 

零件名称、工作条件

金  相  组  织

 

连杆螺栓

索氏体,不允许有块状铁素体

 

传动齿轮

表面:回火马氏体+少量残余奥氏体+细粒状碳化物

中心:铁素体+细珠光体+低碳回火马氏体

 

机床主轴

细致的索氏体,氮化钢制主轴还必须限制各种材料在离表面1/4半径处铁素体含量<5%,带有内外锥孔锥面及花键部分为屈氏体+少量回火马氏体

 

汽车半轴

索氏体+屈氏体

 

汽车曲轴

球铁曲轴等温淬火,下贝氏体

 

弹簧

屈氏体

 

滚动轴承及轴承钢做的精密零件

极细的马氏体+分布均匀的细粒状渗碳体+少量残余奥氏体

 

严重磨损及强烈冲击的零件,如用ZGMn13做的挖掘机的铲齿

单一的奥氏体

(其他还有如鄂式破碎机的齿板,球磨机衬板,辊式破碎机的辊筒,铁道道岔等)

 

凿岩机活塞

回火马氏体+具有小而少、均匀的圆的未溶碳化物

 
 

锅炉零件(15CrMo)

索氏体

 

刀具,如圆板牙(9SiCr)

下贝氏体

 

量具

马氏体+少量残余奥氏体

 

典型零件所用材料淬透性要求

零件工作条件

应力分布及说明

所选材料的淬透性要求

受轴向拉伸或压缩应力或交变拉应力、冲击载荷,如重要的螺栓、拉杆等

应力在零件的截面上分布均匀如右图

394

全部淬透

受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷和局部磨损,如轴

应力主要集中于外层,心部应力小,不需要高强度

394-1

一般淬透到截面直径的深,根据载荷大小,进行调整

受小能量多次冲击、交变应力,如曲轴

应力分布外大里小

与轴相似

受交变弯曲应力、交变接触压应力、冲击载荷,以及带滑动的滚动摩擦,如齿轮

齿轮受接触应力、弯曲应力和冲击载荷等,对接触应力来说表面硬度要高一些好,随不同模数接触点曲率半径不同而异。疲劳(点蚀)系在表面下0.5b(b是接触线宽度)处,此处切应力为最大(约0.31×接触应力)

淬透层应大于0.5b。模数大,载荷大,淬透性可高一些,心部硬度33~48HRC

受交变应力和振动,如弹簧

弹簧工作时主要要求不要永久变形,因此材料应有稳定的高的屈强比σs/σb,如果淬透性不好,中心将出现游离铁素体,σs/σb大大降低,工作时容易产生塑性变形而失效

一般要求全部淬透

受点或线接触下交变压应力和磨损,如滚珠轴承

主要是按接触应力考虑强度,因此必须保证表面的硬度值,但大的轧机轴承冲击载荷大,应同时考虑

小轴承全部淬透,大的受冲击大的轴承则不宜淬透

受较大能量高频冲击,如凿岩机活塞

应力分布在整个截面上是均匀的

全部淬透

耐磨零件

耐磨性一般和表面的硬度有关,硬度越高,耐磨性越好

含碳量及淬透性能够保证热处理后要求的硬度即可

焊接零件

为了防止脆性增加和裂纹产生

淬透性不宜过高

渗碳零件

为了防止淬火后残余奥氏体增加,反而使硬度降低

高频淬火零件

短时表面加热,淬透性一般并不起多大作用

按性能要求或工作条件选择热处理方法

退

性能要求

选   择

切削加工性

金属的硬度在170~230HB时切削加工性比较良好,从表整体热处理方法、特点和应用中的碳钢在退火或正火后的硬度看出,低、中碳钢以正火为预先热处理较好,高碳结构钢和工具钢则以退火较好,合金钢由于合金元素的加入,硬度有所提高,在多数情况下,中碳以上合金钢都需退火,而不宜正火

使用性能

性能要求不高,随后不宜再进行淬火与回火的一般工件,可用正火来提高力学性能;但复杂的零件或大型铸件,正火冷却速度快,有形成裂纹危险时,则应退火。另外从减少最终热处理(淬火)的变形开裂倾向来看,正火也不如退火

经济效果

正火比退火生产周期短,耗热量少,且操作简便,故在可能条件下,应优先考虑以正火代替退火

工  作  条  件

选    择

一般受力情况均可

整体淬火

同时受磨损和交变应力者,应考虑采用

表面热处理

受磨损较大而不受交变应力的零件

可用高碳钢经淬火及低温回火,或用低碳钢经渗碳、淬火及低温回火

传递功率大,摩擦压力小,摩擦速度高,冲击小

用于磨损与交变应力作用下的零件

中碳合金钢

渗氮

变形极小

零件简单、复杂均可

传递功率较大,摩擦压力大,摩擦速度不太高,冲击不太大

中碳钢

高频淬火

变形小

零件简单

传递功率大,摩擦压力大,摩擦速度不高,冲击大

低碳合金钢

渗碳

变形较小

零件简单

复杂均可

低碳钢

变形大

低温回火

要求高硬度及高耐磨性的零件,如渗碳件、表面淬火齿轮等

1.一般零件尽量不用中温回火,以防止回火脆性

中温回火

要求在一定韧性条件下具有高的弹性极限及屈服极限的零件,如弹簧及热锻模等

2.时效一般只用于高合金钢,对碳钢、低合金钢不适用

高温回火

要求有高的综合力学性能的零件,如各种连接件及传动件(连杆、轴等)

3.高温回火可消除残余奥氏体,但不能保证高硬度,而低温回火可保证高硬度,但不能消除更多残余奥氏体,故精密件须冷处理、回火、时效

冷处理及

低温时效

要求保持淬火后的高硬度及尺寸稳定性的精密零件,如柴油机喷觜、精密轴承及量具等

 

零件材料和热处理方法选用的一般原则

零件工作条件

零件类型

用   材

热处理工艺方法

单纯受压应力,并要求消震及耐磨

机床床身、机架、箱体等

灰口铸铁

1.一般高温时效

2.要求高的可正火、调质、等温淬火

3.耐磨部位可进行表面淬火或软氮化

单纯受拉应力(要求有高的σs和σb)

拉杆、连杆、重要螺栓等

中碳钢及中碳合金钢

调质

低碳合金钢

淬火+低温回火

承受交变载荷为主(要求有高的强度、疲劳极限和塑性、韧性)并要求局部表面耐磨

主轴、曲轴、凸轮轴及其他传动轴

中碳钢及中碳合金钢

1.正火或调质(重要或高精度零件应调质),要求耐磨处(如轴颈)表面淬火,精度高的(如镗杆)可调质后氮化等

2.轴类表面最后还可进行滚压、喷丸加工,以增加表面压应力,提高疲劳强度

低碳钢及低碳合金钢

渗碳淬火+低温回火

球墨铸铁

正火、调质或等温淬火、耐磨处表面淬火

承受大幅度弹性变形为主(要求高的σs/σb值、疲劳极限、足够韧性)

各种弹簧

碳素或合金弹簧钢

1.淬火+中温回火

2.小弹簧在冷卷成型后进行200~300℃去应力处理

除承受一般应力外,还受强烈磨损

齿轮、凸轮、活塞销等

低碳钢及低碳合金钢

渗碳或氰化后淬火+低温回火

中碳钢及中碳合金钢

1.正火或调质后表面淬火

2.氰化淬火+低温回火

精密偶件

GCr15或高速钢

淬火+冷处理+回火

18Cr2Ni4WA等

渗碳、淬火+冷处理+低温回火

以高硬度、高耐磨性、高热硬性、高淬透性为主

各种工模具

碳素或低合金工具钢

淬火+低温回火

W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8等高速钢、模具钢

淬火+500~560℃多次回火

5CrNiMo等热模具钢

淬火+中温回火

以特殊物理、化学性能为主

汽轮机叶片、内燃机进排气阀等

不锈钢、耐热钢等

淬火+回火

固溶处理等

常用最后热处理方法的应用

最后热处理方法

用   途

硬度范围HRC

在工艺路线中的位置

整体淬火+低温回火

处理以高硬度、高耐磨性为主的高碳钢或高碳合金钢工件,如刀具、工具、量具、滚珠轴承等

58~64

铸造-球化退火-机加工-淬火+低温回火-磨

处理承受中等载荷同时又需耐磨的含碳量在0.38%~0.50%的中碳钢及中碳合金钢工件,如低速、低载的精密、传动齿轮和轴等

45~55

铸造-退火-机加工-淬火+低温回火-磨

整体淬火+中温回火

处理要求在一定韧性条件下具有高的弹性极限和屈服极限的工件,如弹簧及热锻模等

35~45

以汽车板簧为例:

扁钢剪断-加热成型-淬火+中温回火-喷丸-装配

调质

处理要求有高的综合力学性能的含碳量0.38%~0.50%的中碳钢及中碳合金钢工件,如连杆、轴等各种连接件及传动件

200~350HB

铸造-退火(正火)-粗机加工-调质-精机加工

调质(或正火)后表面淬火+低温回火

处理承受重载荷并具有良好耐磨性含碳0.40%~0.50%的调质钢工件,如机床齿轮、主轴及曲轴的轴颈等

心部200~250HB

表面45~55

铸造-退火-粗机加工-调质-精机加工-表面淬火+低温回火-磨

渗碳、淬火+低温回火

处理承受重载荷,在复合应力及冲击负荷下具有高耐磨性的含碳量0.15%~0.32%的低碳钢及低碳合金钢工件,如汽车、拖拉机齿轮、轴等

心部25~35

表面58~62

铸造-正火-机加工-渗碳-淬火+低温回火-磨

氰化、淬火+低温回火

处理承受较重载荷并具有耐磨性的低碳或中碳的碳钢和合金钢工件,如齿轮、轴等

心部25~55

(视材料而定)

表面56~62

铸造-正火或退火-机加工-氰化-淬火+低温回火-磨

调质后氮化

处理心部要求有高的综合力学性能,表面耐磨性高并有一定抗蚀性,同时要求热处理变形小的中碳合金钢工件,如精密磨床主轴、镗杆、齿轮、高精度钻模、阀门等

心部25~35

表面HV≥900

铸造-退火-粗机加工-调质-精机加工-去应力退火-粗磨-氮化-精磨-时效-研磨

高温人工时效

消除铸造、焊接、机械加工所造成的内应力、稳定工件形状及尺寸,如用于处理铸铁床身、焊接机架或精密件机加工间去应力等

以铸件为例

铸造-高温人工时效-粗机加工-高温人工时效-精机加工

冷处理和低温人工时效

用于要求保持高硬度及尺寸稳定性的精密工件,如柴油机喷嘴、精密轴承、量具等

≥62

以精密偶件针阀体为例:

下料-机加工-去应力-机加工-淬火-冷处理-低温人工时效-精磨-低温人工时效

结构钢零件热处理方法选择

热处理方法

用途

1.退火(完全退火、不完全退火)

2.正火(在静止空气中或吹风中冷却)

处理工作载荷轻,速度低的含碳0.15%~0.45%的碳钢零件

3.淬火-高温回火

4.正火-高温回火

处理中等载荷的含碳0.38%~0.5%的中碳钢和中碳合金钢零件,第4法也可用处理锻件的预先热处理代替长时间的退火

5.退火或正火-淬火-低温回火

6.正火-高温回火-淬火-低温回火

处理承受中等载荷同时需要耐磨而含碳0.38%~0.50%的中碳合金钢和中碳钢零件

7.正火-渗碳-淬火-低温回火

8.正火-高温回火-渗碳-高温回火-淬火-低温回火

处理承受重载荷、在复合应力及冲击载荷下具有高的耐磨性的含碳0.15%~0.32%的低碳钢及低碳合金钢零件

处理淬火后在渗碳层中有大量残余奥氏体的含碳0.15%~0.32%的高合金钢,如20Cr2Ni4A、18CrNiW等的渗碳零件,如坦克、重型汽车的齿轮、大型轧钢机轴承等

9.氰化-淬火-低温回火

10.正火(或调质)-氮化

11.正火(或调质)-表面淬火-低温回火

处理在承受较重载荷下具有耐磨性的低碳或中碳钢及合金钢的零件

处理耐磨性高或抗蚀的低碳或中碳钢及合金钢零件或用于零件抗蚀氮化

处理在承受重载荷下具有良好耐磨性含碳0.4%~0.5%的调质钢

常用不锈钢和耐热钢的热处理方法的选择

钢   号

要  求  与  选  择

0Cr18Ni9

1Cr18Ni9

2Cr18Ni9

1Cr18Ni9Ti

2Cr13Ni4Mn9

1Cr23Ni18

4Cr14Ni14W2Mo

2Cr18Ni8W2

1Cr21Ni5Ti

1Cr18Mn8Ni5N

1Cr19Ni11Si2AlTi

1Cr14Mn14Ni

1Cr14Mn14Ni3Ti

要求提高抗腐蚀性能和塑性,消除冷作硬化的工件,应进行固溶处理

对于形状复杂不宜固溶处理的工件,可进行去应力退火

含钛或铌的不锈钢,为了获得稳定的抗腐蚀性能,可进行稳定化退火

1Cr13,2Cr13,3Cr13

4Cr13,1Cr17Ni2

2Cr13Ni2,9Cr18

9Cr18MoV,2Cr3WMoV

1Cr11Ni2W2MoV

1Cr12Ni2WMoVNb

3Cr13Ni7Si2

4Cr10Si2Mo

1Cr14Ni3W2VB

0Cr17Ni7Al

0Cr17Ni4Cu4Nd

0Cr15Ni7Mo2Al

3Cr13Mo

要求提高强度、硬度和耐蚀性能的工件,应进行淬火加低温回火处理

要求较高的强度和弹性极限,而对抗腐蚀性能要求不高的工件,应进行淬火加中温回火处理

要求得到良好的力学性能和一定的耐蚀性能的工件,应进行淬火加高温回火处理

要求消除加工应力、降低硬度和提高塑性的工件,可进行退火处理

要求改善原始组织的工件,可进行正火加高温回火的预备热处理

要求得到良好的力学性能和抗腐蚀性能的沉淀硬化型不锈钢工件,可进行固溶加时效、固溶加深冷处理或冷变形加时效等调整处理

由热处理可强化的不锈钢和耐热钢构成的焊接组合件

根据工件图样的要求可进行淬火加回火或去应力退火

由热处理不可强化的不锈钢和耐热钢构成的焊接组合件

要求改善焊缝区域组织和抗腐蚀性能以及较充分地消除应力时,可进行固溶处理。对于形状复杂不宜进行固溶处理的焊接组合件,可采用去应力退火

由热处理可强化与不可强化的不锈钢和耐热钢构成的焊接组合件

当要求以抗腐蚀性能为主时,应进行固溶处理加低温回火;当要求以力学性能为主时,应进行淬火加低温或中温回火处理。对于形状复杂的焊接组合件,可进行去应力退火或高温回火

几类典型零件的热处理实例

名称

工作条件

材料与热处理要求

备注

齿轮

1.低速、轻载又不受冲击

HT200、HT250、HT300:去应力退火

1.机床齿轮按工作条件可分三组

(1)低速:转速2m/s,单位压力350~600MPa

(2)中速:转速2~6m/s,单位压力100~1000MPa,冲击载荷不大

(3)高速:转速4~12m/s,弯曲力矩大,单位压力200~700MPa

2.机床常用齿轮材料及热处理

(1)45:淬火,高温回火,200~250HB,用于圆周速度<1m/s中等压力;高频淬火,表面硬度52~58HRC,用于表面硬度要求高、变形小的齿轮。

(2)20Cr:渗碳、淬火、低温回火56~62HRC,用于高速、压力中等、并有冲击的齿轮。

(3)40Cr:调质,220~250HB,用于圆周速度不大,中等单位压力的齿轮;淬火、回火,40~50HRC,用于中等圆周速度、冲击载荷不大的齿轮;除上述条件外,如尚要求热处理时变形小,则用高频淬火、硬度52~58HRC

3.汽车、拖拉机齿轮的工作条件比机床齿轮要繁重得多,要求耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面比机床齿轮高,因此,一般是载荷重、冲击大,多采用低碳合金钢(除左行列出的牌号外,尚有20MnMoB、30CrMnTi、30MnTiB、20MnTiB等),经渗碳、淬火、低温回火处理。拖拉机最终传动齿轮的传动扭矩较大,齿面单位压力较高,密封性不好,砂土、灰尘容易钻入,工作条件比较差,常采用20CrNi3A等渗碳

4.一般机械齿轮最常用的材料是45和40Cr。其热处理方法选择如下

(1)整体淬火:强度、硬度(50~55HRC)提高,承载能力增大,但韧性减小,变形较大,淬火后须磨齿或研齿,只适用于载荷较大、无冲击的齿轮,应用较少

(2)调质:由于硬度低,韧性也不太高,不能用于冲击载荷下工作,只适用于低速、中速的齿轮,一对调质齿轮的小齿轮齿面硬度要比大齿轮的齿面硬度高出25~40HB

(3)正火:受条件限制不适合淬火和调质的大直径齿轮用

(4)表面淬火:45、40Cr高频淬火机床齿轮广泛采用,直径较大的用火焰表面淬火。但对受较大冲击载荷的齿轮因其韧性不够,须用低碳钢(有冲击、中小载荷)或低碳合金钢(有冲击、大载荷)渗碳

2.低速(<1m/s)、轻载、如车床溜板齿轮等

45:调质,200~250HB

3.低速、中载,如标准系列减速器齿轮

45、40Cr、40MnB(50、42MnVB):调质,220~250HB

4.低速、重载、无冲击,如机床主轴箱齿轮

40Cr(42MnVB):淬火、中温回火,40~45HRC

5.中速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴箱齿轮

40Cr、40MnB、42MnVB:调质或正火,感应加热表面淬火,低温回火,时效,50~55HRC

6.中速、中载或低速、重载,如车床变速箱中的次要齿轮

45:高频淬火,350~370℃回火,40~45HRC(无高频设备时,可采用快速加热齿面淬火)

7.中速、重载

40Cr、40MnB(40MnVB、42CrMo、40CrMnMo、40CrMnMoVBA):淬火,中温回火,45~50HRC

8.高速、轻载或高速、中载,有冲击的小齿轮

15、20、20Cr、20MnVB:渗碳,淬火,低温回火,56~62HRC。38CrAl,38CrMoAl:渗氮,渗氮深度0.5mm,900HV

9.高速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴箱齿轮

40Cr、40MnB、(40MnVB):高频淬火,50~55HRC

10.高速、中载、有冲击、外形复杂的重要齿轮,如汽车变速箱齿轮(20CrMnTi淬透性较高,过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀,渗碳后直接淬火变形较小,正火后切削加工性良好,低温冲击韧性也较好)

20Cr、20MnVB:渗碳,淬火,低温回火或渗碳后高频淬火,56~62HRC

18CrMnTi、20CrMnTi(锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳、预冷淬火、低温回火→磨齿→喷丸):渗碳层深度1.2~1.6mm,齿面硬度58~60HRC,心部硬度25~35HRC。表面:回火马氏体+残余奥氏体+碳化物。中心:索氏体+细珠光体

11.高速、重载、有冲击、模数<5

20Cr:渗碳,淬火,低温回火,56~62HRC

12.高速、重载或中载、模数>6,要求高强度、高耐磨性,如立车重要螺旋圆锥齿轮

18CrMnTi:渗碳、淬火、低温回火,56~62HRC

13.高速、重载、有冲击、外形复杂的重要齿轮,如高速柴油机、重型载重汽车、航空发动机等设备上的齿轮

12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20CrMnMoVBA(锻造→退火→粗加工→去应力→半精加工→渗碳→退火软化→淬火→冷处理→低温回火→精磨):渗碳层深度1.2~1.5mm,59~62HRC

14.载荷不高的大齿轮,如大型龙门刨齿轮

50Mn2、50、65Mn:淬火,空冷,HB≤241

15.低速、载荷不大、精密传动齿轮

35CrMo:淬火,低温回火,45~50HRC

16.精密传动、有一定耐磨性的大齿轮

35CrMo:调质,255~302HB

17.要求抗腐蚀性的计量泵齿轮

9Cr16Mo3VRE:沉淀硬化

18.要求高耐磨性的鼓风机齿轮

45:调质,尿素盐浴软氮化

19.要求耐磨、保持间隙精度的25L油泵齿轮

粉末冶金(生产批量要大)

20.拖拉机后桥齿轮(小模数)、内燃机车变速箱齿轮 (= 6~8)

55DTi或60D(均为低淬透性中碳结构钢):中频淬火,回火,50~55HRC,或中频加热全部淬火。可获得渗碳合金钢的质量,而工艺简化,材料便宜

1.在滑动轴承中工作,υ周<2m/s,要求表面有较高的硬度的小轴、心轴,如机床走刀箱、变速箱小轴

45、50,形状复杂的轴用40Cr、42MnVB:调质,228~255HB,轴颈处高频淬火,45~50HRC

主轴和轴类的材料与热处理选择必须考虑:受力大小;轴承类型;主轴形状及可能引起的热处理缺陷

在滚动轴承或是轴颈上有轴套在滑动轴承中回转,轴颈不需特别高的硬度,可用45、40Cr,调质,220~250HB;50Mn,正火或调质28~35HRC。在滑动轴承中工作的轴颈应淬硬,可用15、20Cr,渗碳,淬火,回火到硬度56~62HRC;轴颈处渗碳深度为0.8~1mm。直径或重量较大的主轴渗碳较困难,要求变形较小时,可用45或40Cr在轴颈处作高频淬火

高精度和高转速(>2000r/min)机床主轴尚须采用氮化钢进行渗氮处理,得到更高硬度。在重载下工作的大断面主轴,可用20SiMnVB或20CrMnMoVBA,渗碳,淬火,回火,56~62HRC

2.在滑动轴承中工作,υ周<3m/s,要求高硬度、变形小,如中间带传动装置的小轴

40Cr、42MnVB:调质,228~255HB;轴颈高频淬火,45~50HRC

3.υ周≥3m/s,大的弯曲载荷及摩擦条件下工作的小轴,如机床变速箱小轴

15、20、20Cr、20MnVB:渗碳,淬火,低温回火,58~62HRC

4.高载荷的花键轴,要求高强度和耐磨,变形小

45:高频加热,水冷,低温回火,52~58HRC

5.在滚动或滑动轴承中工作,轻或中等载荷,低速,精度要求不高,稍有冲击,疲劳载荷可忽略的主轴;或在滚动轴承中工作,轻载,υ<1m/s的次要花键轴

45:调质,225~255HB(如一般简易机床主轴)

6.在滚动或滑动轴承中工作,轻或中等载荷转速稍高≤150N·m/(cm2·s),精度要求较高,冲击,疲劳载荷不大

45:正火或调质,228~255HB;轴颈或装配部位表面淬火,45~50HRC

7.在滑动轴承中工作,中载或重载,转速较高[≤400N·m/(cm2·s)],精度较高,冲击、疲劳载荷较大

40Cr:调质,228~255HB或248~286HB,轴颈表面淬火,HRC≥54,装配部位表面淬火HRC≥45

8.其他同上,但转速与精度要求比上例高,如磨床砂轮主轴

45Cr、42CrMo:其他同上,表面硬度HRC≥56

9.在滑动或滚动轴承中工作,中载,高速,心部强度要求不高,精度不太高,冲击不大,但疲劳应力较大,如磨床,重型齿轮铣床等主轴

20Cr:渗碳,淬火,低温回火,58~62HRC

1.内心强度不高,受力易扭曲变形

2.表面硬度高,宜作高速低载荷主轴

3.热处理变形较大

10.在滑动或滚动轴承中工作,重载,高速[≤400N·m/(cm2·s)]冲击、疲劳应力都很高

18CrMnTi、20CrMnMoVA:渗碳、淬火、低温回火HRC≥59

1.心部有较高的σb及ak值,表面有高的硬度及耐磨性

2.有热处理变形

11.在滑动轴承中回转,重载,高速,精度很高≤0.003mm,很高疲劳应力,如高精度磨床镗床主轴

38CrAlMoA:调质,硬度248~286HB,轴颈渗氮,硬度HV≥900

1.很高的心部强度,表面硬度极高,耐磨

2.变形量小

12.电机轴,主要受扭

35及45:正火或正火并回火,187HB及217HB

860~880℃正火

13.水泵轴,要求足够抗扭强度和防腐蚀

3Cr13及4Cr13:1000~1050℃油淬,硬度分别为42HRC及48HRC

或1Cr13:1100℃油淬,350~400℃回火,56~62HRC

14.C616-416车床主轴:45号钢

(1)承受交变弯曲应力、扭转应力,有时还受冲击载荷

(2)主轴大端内锥孔和锥度外圆,经常与卡盘、顶针有相对摩擦

(3)花键部分经常有磕碰或相对滑动

(4)在滚动轴承中动转,中速,中载

(1)整体调质后硬度200~230HB,金相组织为索氏体

(2)内锥孔和外圆锥面处硬度45~50HRC,表面3~5mm内金相组织为屈氏体和少量回火马氏体

(3)花键部分硬度48~53HRC,金相组织同上

加工和热处理步骤:下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精车外圆,钻中心孔,精车外圆,铣键槽→锥孔及外圆锥局部淬火,260~300℃回火→车各空刀槽,粗磨外圆,滚铣花键槽→花键高频淬火,240~260℃回火→精磨

401

15.跃进-130型载重(2.5t)汽车半轴

承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转,主要瞬时超载而扭断,要求有足够的抗弯、抗扭、抗疲劳强度和较好的韧性

40Cr、35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、40Cr:调质后中频表面淬火,表面硬度HRC≥52,深度4~6mm,静扭矩6900N·m,疲劳≥3×105次,估计寿命≥3×105km

金相组织:索氏体+屈氏体

(原用调质加高频淬火寿命仅为4×104km)

401-1

内燃机曲轴:承受周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等。此外,在高速内燃机中还存在扭转振动,会造成很大应力

要求有高强度及一定的冲击韧性、弯曲、扭转、疲劳强度和轴颈处高的硬度和耐磨性

低速内燃机:采用正火状态的碳钢、球墨铸铁

中速内燃机:采用调质碳钢或合金钢,如45、40Cr、45Mn2、50Mn2等及球墨铸铁

高速内燃机:采用高强度合金钢,如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等

以110型柴油机曲轴为例:QT60-2正火,中频淬火,σb≥650MPa,ak>15J/mm2(试样20mm×20mm×110mm),轴体240~300HB,轴颈HRC≥55,珠光体数量:试棒≥75%,曲轴≥70%

 

1.载荷不大,断面较小的蜗杆

45:调质,220~250HB

1.蜗轮材料与热处理

(1)圆周速度≥3m/s的重要传动:锡磷青铜QSn10-1

(2)圆周速度≤4m/s:QAl9-4

(3)圆周速度≤2m/s,效率要求不高:铸铁防止蜗轮变形一般进行时效处理

2.蜗杆材料与热处理

(1)高速重载:15、20Cr渗碳淬火,56~62HRC:40、45、40Cr淬火,45~50HRC

(2)不太重要或低速中载:40、45调质

2.有精度要求(螺纹磨出)而速度<2m/s

45:淬火,回火,45~50HRC

3.滑动速度较高、载荷较轻的中小尺寸蜗杆

15:渗碳,淬火,低温回火,56~62HRC

4.滑动速度>2m/s(最大7~8m/s);精度要求很高,表面粗糙度为的蜗杆,如立车中的主要蜗杆

20Cr:900~950℃渗碳,800~820℃油淬,180~200℃低温回火,56~62HRC

5.要求高耐磨性、高精度及尺寸大的蜗杆

18CrMnTi:处理同上,56~62HRC

6.要求足够耐磨性和硬度的蜗杆

40Cr、42SiMn、45MnB:油淬,回火,45~50HRC

7.中载、要求高精度并与青铜蜗轮配合使用(热处理后再加工丝扣)的蜗杆

35CrMo:调质,255~303HB(850~870℃油淬,600~650℃回火)

8.要求高硬度和最小变形的蜗杆

38CrMoAlA、38CrAlA:正火或调质后渗氮,硬度HV>850

9.汽车转向蜗杆

35Cr:815℃氰化、200℃回火,渗层深度0.35~0.40mm,表面锉刀硬度,心部硬度<35HRC

1.形状简单,断面较小,受力不大的弹簧

65:785~815℃油淬,300℃、400℃、500℃、600℃回火,相应的硬度512HB、430HB、340HB、369HB。75:780~800℃油淬或水淬,400~420℃回火,42~48HRC

弹簧热处理一般要求淬透,晶粒细,残余奥氏体少。脱碳层深度每边应符合:<f 6mm的钢丝或钢板,应<1.5%直径或厚度;>f 6mm的钢丝或钢板,应<1.0%直径或厚度

大型弹簧在热状态加工成型随即淬火-回火,中型弹簧在冷态加工成型(原材料要求球化组织或大部分球化),再淬火­回火。小型弹簧用冷轧钢带、冷拉钢丝等冷态加工成型后,低温回火

处理后可经喷丸处理:40~50N/cm2的压缩空气或离心机70m/s的线速度,将f 0.3~f 0.5mm(对小零件、汽门弹簧、齿轮等)、f 0.6~f 0.8mm(对板簧、曲轴、半轴等)铸铁丸或淬硬钢丸喷射到弹簧表面,强化表层。疲劳循环次数可提高8~13倍,寿命可提高2~2.5倍以上

2.中等载荷的大型弹簧

60Si2MnA、65Mn:870℃油淬,460℃回火,40~45HRC(农机座位弹簧65Mn:淬火,回火,280~370HB)

3.重载荷、高弹性、高疲劳极限的大型板簧和螺旋弹簧

50CrVA、60Si2MnA:860℃油淬,475℃回火,40~45HRC

4.在多次交变载荷下工作的直径8~10mm的卷簧

50CrMnA:840~870℃油淬,450~480℃回火,387~418HB

5.机车、车辆、煤水车板弹簧

55Si2Mn、60Si2Mn:39~45HRC(363~432HB)(解放牌汽车板簧:55Si2Mn:363~441HB)

6.车辆及缓冲器螺旋弹簧、汽车张紧弹簧

55Si2Mn、60Si2Mn、60Si2CrA:淬火,回火,40~47HRC或370~441HB

7.柴油泵柱塞弹簧、喷油嘴弹簧、农用柴油机气阀弹簧及中型、重型汽车的气门弹簧和板弹簧

50CrVA:淬火,回火,40~47HRC

8.在高温蒸汽下工作的卷簧和扁簧,自来水管道弹簧和耐海水浸蚀的弹簧,f 10~f25mm

3Cr13:39~46HRC

4Cr13:48~50HRC,48~49HRC,47~49HRC,37~40HRC,31~35HRC,33~37HRC

9.在酸碱介质下工作的弹簧

2Cr18Ni9:1100~1150℃水淬,绕卷后消除应力,400℃回火60min,160~200HB

10.弹性挡圈δ4,f 85

60Si2:400℃预热,860℃油淬,430℃回火空冷,40~45HRC

1.≤8级精度,受力不大,如各类机床传动丝杠

45、45Mn2:一般丝杠可用正火≥170HB;受力较大的丝杠,调质,250HB;方头、轴颈局部淬硬42HRC

1.丝杠的选材与热处理

(1)丝杠的主要损坏形式:一般丝杠(≤7级精度)为弯曲及磨损;≥6级精度丝杠为磨损及精度丧失或螺距尺寸变化

(2)丝杠材料应具有足够的力学性能,优良的加工性能,不易产生磨裂,能得到低的表面粗糙度和低的加工残余内应力,热处理后具有较高硬度,最少淬火变形和残余奥氏体

常用于不要求整体热处理至高硬度的材料,有45、40Mn、40Cr、T10、T10A、T12A、T12等。淬硬丝杠材料,有GCr15、9Mn2V、CrWMn、GCr15SiMn、38CrMoAlA等

(3)热处理

一般丝杠:正火(45钢)或退火(40Cr),去应力处理和低温时效,调质和轴颈、方头高频淬火与回火

精密不淬硬丝杠:去应力处理低温时效,球化退火,调质球化,如遇原始组织不良等,还需先经900℃(T10、T10A)~950℃(T12、T12A)正火处理然后再球化退火,或直接调质球化

精密淬硬丝杠:退火或高温正火后退火,去应力处理,淬火和低温时效

2.考虑热加工工艺性,丝杠结构设计注意事项

(1)结构尽可能简单,避免各种沟槽、突变的台阶、锐角等,尤其是氮化丝杠更应避免一切棱角

(2)丝杠一端应留有空刀槽,凸起台阶或吊装螺钉孔,便于冷热加工中吊挂用

(3)不应有较大的凸阶,以免除局部镦粗的锻造工序

3.滚珠丝杠副的材料与热处理

(1)材料选用

滚珠丝杠:L≤2m、f 40~f 80mm、变形小、耐磨性高的6~8级丝杠用CrWMn整体淬火

f 50mm、耐磨性高、承受较大压力的6~8级丝杠用GCr15整体或中频淬火

f 50mm、耐磨性高、6~8级丝杠用GCr15SiMn整体或中频淬火

f 40mm、L≤2m、变形小、耐磨性高的6~8级丝杠用9Mn2V、整淬,冰冷处理

有防蚀要求特殊用途的丝杠用9Cr18,中频加热表面淬火

L≤1m、变形小、耐磨性高的6~7级丝杠用20CrMoA,渗碳,淬火

L≤2.5m、变形小、耐磨性高的6~7级丝杠用40CrMoA,高频或中频淬火

7~8级的丝杠用55、50Mn、60Mn,高频淬火

L≤2.5m、变形小、耐磨性高的5~6级精度的丝杠:38CrMoAlA或38CrWVAlA,氮化

螺母:GCr15、CrWMn、9CrSi,也有用18CrMnTi、12CrNiA等渗碳钢的

(2)硬度要求

推荐60HRC±2HRC,螺母取上限,当丝杠L≥1.5m或精度为5、6级时,硬度可低一些,但需≥56HRC

采用表面热处理的淬透层深度,磨削后,应为

中频处理   >2mm

高频渗碳处理>1mm

氮化处理    >0.4mm

7级精度以上的丝杠应作消除残余应力的稳定处理

2.≥7级精度,受力不大,轴颈、方头等处均不需淬硬,如车床走刀丝杠

45Mn易切削钢和45:热轧后σb=600~750MPa,除应力后170~207HB。金相组织:片状珠光体+铁素体

3.7~8级精度,受力较大,如各类大型镗床、立车、龙门铣和刨床等的走刀和传动丝杠

40Cr、42MnVB(65Mn):调质220~250HB,σb≥850MPa;方头、轴颈局部淬硬42HRC。金相组织:均匀索氏体

4.8级精度,中等载荷,要求耐磨,如平面磨床,砂轮架升降丝杠与滚动螺母啮合

40Cr、42MnVB:调质250HB,中频表淬54HRC。调质后基体组织:均匀索氏体+细粒状珠光体

5.≥6级精度,要求具有一定耐磨性,尺寸稳定性,较高强度和较好的切削加工性,如丝杠车床、齿轮机床、坐标镗床等的丝杠

T10、T10A、T12、T12A:球化退火,163~193HB,球化等级3~5级,网状碳化物≤3级,调质201~229HB。金相组织:细粒状珠光体

6.≥6级精度,要求抗腐蚀、较高的抗疲劳性和尺寸稳定性,如样板镗床或其他特种机床精密丝杠

38CrMoAlA:调质280HB,渗氮850HV。调质后基体组织:均匀的索氏体。渗氮前表面应无脱碳层

7.≥6级精度,要求耐磨、尺寸稳定,但载荷不大,如螺纹磨床、齿轮磨床等高精度传动丝杠(硬丝杠)

9Mn2V(直径≤60mm)、CrWMn(直径>60mm);球化退火后,球状珠光体1.5~4级,网状碳化物≤3级,硬度≤227HB,淬火硬度(56+0.5)HRC。金相组织:回火马氏体无残余奥氏体存在

8.≥6级精度,受点载荷的,如螺纹或齿轮磨床、各类数控机床的滚珠丝杠

GCr15(直径≤70mm)、GCr15SiMn(直径>80mm);球化退火后,球状珠光体1.5~4级,网状碳化物≤3级,60~62HRC。金相组织:回火马氏体

推土机用销套:承受重载、大冲击和严重磨损

20Mn、25MnTiB:渗碳,二次淬火,低温回火,59HRC,渗碳层深2.6~3.8mm

推土机履带板:承受重载、大冲击和严重磨损

40Mn2Si:调质,履带齿中频淬火或整体淬火,中频回火,距齿顶淬硬层深30mm

推土机链轨节:承受重载、大冲击和严重磨损

50Mn、40MnVB:调质,工作面中频淬火,回火,淬硬层深6~10.4mm

推土机支承轮

55SiMn、45MnB:滚动面中频淬火,回火,淬硬层深6.2~9.1mm

推土机驱动轮

45SiMn:轮齿中频淬火,淬硬层深7.5mm

活塞销:受冲击性的交变弯曲剪切应力、磨损大,主要是磨损、断裂

20Cr:渗碳,淬火,低温回火,59HRC(双面)

刮板弹簧:转子发动机用,要求在高温下保持弹性和抗疲劳性能

718耐热合金:1050℃固溶处理,冷变形,690℃真空时效,8h(或620℃下8h,500℃下松弛8h)

受冲击性的迅速变化着的拉应力和装配时的预应力作用,在发动机运转中,连杆螺栓折断会引起严重事故,要求有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力

40Cr调质,31HRC,不允许有块状铁素体

下料→锻造→退火或正火→加工→调质(回火水冷防止第二类回火脆性)→加工→装配

404

牙轮钻头:主要是磨坏

20CrMo:渗碳,淬火,低温回火,61HRC

输煤机溜槽(原用16Mn钢板,未处理,仅用3~6个月)

16Mn:钢板中频淬火(寿命可提高一倍)

铁锹(原用低碳钢固体渗碳淬火,回火,质量很差)

低碳钢:淬火,低温回火,得低碳马氏体,质量大大提高

石油钻井提升系统用吊球(原用35钢)、吊卡(原用40CrNi或35CrMo):正火或调质,质量差,笨重

20SiMn2MoVA:淬火,低温回火,得低碳马氏体,质量大大提高

石油射孔枪:承受火药爆炸大能量高温瞬时冲击,类似于枪炮。主要是过量塑性变形引起开裂

20SiMn2MoVA:淬火,低温回火,得低碳马氏体,σb=1610MPa,ak=80J/mm2

煤矿用圆环牵引链,要求高抗拉强度和抗疲劳,主要是疲劳断裂及加工时冷弯开裂

20MnV、25Mn2V:弯曲后闪光对焊,正火,880℃淬火,250℃回火获得低碳马氏体,预变形强化。σb≥850MPa,σs≥650MPa,ak≥100J/mm2

凿岩机钎尾:受高频冲击,要求抗多次冲击能力强,耐疲劳,主要是断裂与凹陷

30SiMnMoV、32SiMnMoV:56HRC,渗碳淬火→650℃回火,二次加热260~280℃等温淬火→螺纹部分滚压强化

凿岩机钎杆:受高频冲击与矿石摩擦严重,要求多冲抗力大,耐疲劳和磨损,主要是折断与磨损

30SiMnMoV:59HRC,900~920℃下用“603”液体渗碳2h,至880℃空冷25~30s,油冷,230℃回火3h

中压叶片油泵定子:要求槽口耐磨和抗弯曲性能好。主要是槽口磨损、折断

38CrMoAl:渗氮,900HV,

调质→粗车→去应力→精车→渗氮

机床导轨:要求轨面耐磨和保持高精度。主要是磨损和精度丧失

HT200、HT300:表面电接触加热淬火,56HRC

化工用阀门、管件等腐蚀大的零件,要求抗腐蚀性高

普通碳素钢渗硅

锅炉排污阀:主要是锈蚀,要求抗腐蚀性好

45:渗硼

1t蒸汽锤杆f120,L=2345m

10t模锻锤锤杆

受较剧烈多次冲击和疲劳应力。主要是疲劳断裂

45Cr:850℃淬火,10%盐水冷,450℃回火,45HRC

35CrMo:860~870℃水淬,450~480℃回火,40HRC

电耙耙斗、电铲铲斗的齿部:冲击大、摩擦严重。主要是磨坯

ZGMn13:水韧处理,180~220HB(工作时在冲击和压力下450~550HB)

f 840mm及f 650mm的矿车轮

ZG55、ZGCrMnSi:280~330HB

一般要求

要求

说    明

图   例

零件的尖角、棱角部分是淬火应力最为集中的地方,往往成为淬火裂纹的起点,因此设计应尽量避免,而设计成圆角或倒角,如右图所示。

渗氮处理的零件对轴肩或截面改变处,采用R≥0.5mm圆角,否则此处渗氮层易发生脆性崩裂。阶梯形轴淬火前粗加工时截面变化的R如表所示

/mm

b1d6d32a

D-d

R

D-d

R

D-d

R

11~15

2

26~50

10

126~300

20

16~25

5

51~125

15

301~500

30

厚薄悬殊的零件,是淬火冷却时,由于冷却不均匀而造成的变形、开裂倾向较大,设计时采取:开工艺孔,如图a;合理安排孔的位置,如图b;变不通孔为通孔(内孔要求淬硬时,也不应是不通孔),如图c;或加厚零件太薄的部分,如图d。图d为攻螺纹凸轮,原设计要求15钢渗碳淬火,桃形凹槽淬硬为59~62HRC,由于槽底太薄,淬火后,变形向里凹入,修改设计,加厚槽底。渗碳齿轮应加开工艺孔,增厚t,使截面均匀,以减小畸变,如图e

图f是一根主轴,轴肩法兰虽然用9Mn2V钢油淬,但在螺孔部分淬火时近螺纹口还是会淬裂。解决办法:

①减小螺纹孔的中心距,适当增加螺孔到边缘的距离;

②增加法兰厚度,并在淬火时在螺孔内旋一螺钉,淬火后拆去

图g也是一根截面悬殊的轴,即使采用合金钢也会产生裂纹,虽然可以采用“预冷”淬火法防止淬裂,但轴的硬度会受影响,因此设计时一定要尽量避免厚薄悬殊的零件,并采用淬火应力小的分级或等温淬火

b1d6d32b

当零件要求必须是薄边时,应在热处理后成形,如图a'(加工去多余部分)

b1d6d32c

改变图a冲模螺孔的数量和位置,如图a'减少淬裂倾向

b1d6d32d

零件形状为开口或不对称结构时,淬火时应力分布不均匀,因此易引起变形。如因结构必须用开口,建议制造时先加工成封闭结构,淬火回火后成型。如图a为汽车上的拉条,设计要求T8A钢,淬火硬度58~62HRC,平行度公差为0.15mm。采用一次加工成形,淬火后沿开口处胀开较大。改用淬火回火后成形,便能达到设计要求。图b为镗杆截面,要求渗氮后变形极小。如设计在镗杆一侧开槽,弯曲变形就很大,如在另一侧也开槽,使零件形状呈对称结构,就大大减小了热处理的变形

b1d6d32e

形状力求简单对称

右图是精密坐标镗床的刻线尺(标准尺),是决定机床精度的重要零件,长约1.2m,属于细长件,要求有极高的精度和精度保持性(尺寸稳定性)。首先,将形状由槽形改成对称的X形;其次,选用畸变极小、极稳定的低膨胀合金4J58(原来用2Cr13不锈钢);再次,在加工过程中每经一次加工都需一次消除应力退火,全过程共有27次之多,获得了良好的综合经济效益

b1d6d32f

某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件,在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构,如图a为磨床顶尖,顶尖的工作条件繁重,要求高的热硬性。原设计整体采用W18Cr4V钢制造,在整体淬火后,出现了裂纹。改用右图所示组合结构,顶尖仍用W18Cr4V钢,尾部用45钢,分别热处理后,采用热套方式配合,既解决了开裂,又节省了W18Cr4V

图b所示零件两部分工作条件不相同,设计成组合结构,不同部位用不同材料,既提高工艺性,又节约高合金钢材料

b1d6d32g

图a是带槽的轴,材料为T8A,原设计要求>55HRC,经整体水淬后,槽口开裂如图示:该零件实际只需槽部有高硬度,后改成只要求槽部硬度为>55HRC,经硝盐分级淬火冷却后,槽部为≥55HRC,其余部分为≥40HRC,达到了要求,也避免了槽部开裂现象

图b为定位槽口板,如全部淬硬,容易翘曲,用局部淬硬,便可以防止变形,满足要求

图c是球头销,原设计材料为20CrMnTi,渗碳深度0.8~1mm,淬火回火后硬度58~62HRC,仅尺寸“23”范围渗碳,不但质量不易保证,而且工艺也比较麻烦。如改用全部渗碳,直接淬硬,既可简化工艺,又可保证质量

图d是一根心轴,原设计用T10A,淬火回火后,全部硬度56~62HRC,发蓝,螺纹部分也淬到高硬度,不但没有必要,而且也影响了使用性能,应降低螺纹的硬度

b1d6d32h

图a是用45钢制的闷头螺塞类零件,在全部淬火后,内外螺纹会变形,在装配时,拧不进去,应在槽口部分采用高频淬火42HRC

图b是压配精度的定位销一类的精密零件,虽然形状简单,如全部淬硬,端部会胀大,中间会收缩,必须在淬前放余量,淬火后再磨到尺寸,或局部淬硬

图c是大型剪刀板,原设计要求用65Mn,硬度55~60HRC,经水淬油冷后,长度伸长达6mm左右,因孔距公差显著超差而报废。改用CrWMn、Cr12Mo钢,淬火后伸长仅1~2mm,这样可预先控制孔距的加工尺寸,则刚好符合设计要求

b1d6d32i

(1)采用适当的热处理方法

45钢制造的套环类零件如图a,在淬火后尺寸会胀大,而且有形成椭圆的倾向,因此,对于比较重要的精密紧固件,如锁紧螺母等,就要考虑采用适当的热处理方法。锁紧螺母原设计为45钢,槽口硬度35~40HRC,当槽口、内螺纹等全部加工,再整体淬火、回火,槽口硬度可达到技术条件,但内螺纹变形,不能保证精度,如热处理后再加工,又嫌硬度太高。如调整工艺如下:

下料→调质25~30HRC→加工槽→槽口高频淬火35~40HRC→加工内螺纹,即可达到要求,或用15钢槽口渗碳淬硬59HRC

(2)合理设计零件结构形状

图b圆锥齿轮设计要求40Cr,齿部淬火后回火至45~50HRC。齿部淬火后,内孔变成扁圆,齿部啮合恶化,键槽失去精度,且因齿部已经淬硬,一般机械加工无法修整,只能报废。若按图示虚线修改结构,键槽待齿部淬火后再加工,减少了齿形变形,保证了精度要求

b1d6d32j

(1)合理选用材料和热处理方法

图a是铣床刀排用螺母,如采用45钢制造,在淬火时应力集中,在内壁易产生放射状裂纹,故此类零件应采用合金钢42MnVB或40Cr等,以便采用等温淬火或分级淬火来减少淬火应力,减少淬火变形和避免开裂

图b是类似的结构,一般并无相对摩擦,但要求提高综合力学性能,可采用45钢,毛坯调质后再加工

(2)合理设计零件结构形状

图c是镶铜钢套,设计要求用45钢,“45H7”槽两侧淬火后回火硬度45~50HRC,“20f9”槽中心线对“f 80f7”的同心允差0.03mm,对“45H7”槽垂直允差0.03mm。依此精度要求在淬火时“f45H7”内孔必须加工好,这就使“45H7”槽底极薄(钢厚2mm,铜厚1.5mm)。当淬“45H7”槽两侧时,即使槽底不淬透也会由于热应力作用而在铜套上出现裂纹。如加厚铜套厚度,可防止开裂

b1d6d32k

切削加工后零件的表面洁度不够,有时也可能成为淬火裂纹的起因,如某些轴承套圈,因切削刀痕过深,造成应力集中,在淬火时沿刀痕方向形成淬火裂纹(热处理零件最终热处理时表面应清洁和有较低表面粗糙度,一般淬火零件表面粗糙度Ra不大于3.2μm;渗氮零件要求≤0.80~0.10μm,一般是经磨削加工以后的表面粗糙度)

b1d6d32l

图a是一根在小尺寸范围内要求不同硬度的轴,材料为45钢,要求尺寸“35”处40~45HRC,尺寸“20”的两段27~40HRC,工艺性太差,无法回火

图b是镶钢的导轨,由于截面不均匀,淬火后弯曲变形是难免的,在设计时必须考虑到校直问题:①要避免形成两个方向的弯曲,在上下不可能对称的情况下,左右一定要对称;②要采用残余奥氏体较多的合金工具钢(如9Mn2V)或轴承钢(如GCr15),以便在淬火后及时进行“热校直”(用低碳钢渗碳亦可),同时一定要把毛坯锻造后球化退火的金相组织要求列入技术条件,孔口边缘必须倒角R≥0.5~1mm,以免校直时产生裂纹

图c是导轨板,应尽可能采用电接触加热的方法进行表面硬化处理,最好能把零件加工到尺寸后,安装在床身上再表面淬火,材料则仍可用碳钢如50钢,淬硬层愈浅则变形愈小

b1d6d32m

图a、b是用45钢制造的轴,强度及其他力学性能是足够的,如在图示位置包扎良好,开裂也可避免,但淬火后,端面槽口尺寸是无法校正的,图a的会胀大,图b的会收缩。从淬火变形考虑就必须改用硬化性较好的合金结构钢如42MnVB等,以便采用等温淬火的方法减少变形,外圆的沟槽变形也可减少

图c为一滚轮,“12”槽部要求淬硬,槽附近有“f 8”的配钻孔,要在淬火后配钻。若选用45或40Cr钢,在淬火前加工出孔,则淬火后变形大,硬度高,配钻有困难;若淬火后加工孔,又加工不动,故选用中碳钢整体淬火不合适。若采用高频淬火,则零件较小,单独淬槽部有困难。如果改用20Cr钢,先加工槽,然后渗碳,渗碳后,将配钻孔处的渗碳层去掉,然后油淬,低温回火,“f 8”锥孔因含碳低而淬不硬,故可以配钻

图d为一内凸轮,原设计采用45钢制造,要求凹槽处淬硬。为防止开裂,曾采用水-油双液淬火,由于该件结构厚薄悬殊,水中停留时间不易掌握,结果造成沿薄截面处的淬火裂纹,如改用40Cr钢,采用油淬,既可达到技术要求又不致造成淬火开裂

图e为一滑阀,结构比较复杂,原设计要求45钢淬火后回火,硬度45~50HRC。由于45钢水淬开裂倾向大,淬火时“f 10”孔处极易开裂。如改用40Cr等合金结构钢制造,就可减少开裂倾向

图f圆锥齿轮原设计要求用40Cr,齿部高频淬火后回火至50~55HRC。按要求进行齿部高频淬火后两弧齿面硬度不一,特别是模数较大时硬度差更大,改用低合金渗碳钢渗碳后齿部淬火比较合适

b1d6d32n

b1d6d32o

按变形规

律调整加工尺寸

如某汽车变速齿轮键宽要求。渗碳淬火后的变形规律试验数据为缩小0.05mm。因此,冷加工可控制在,则热处理后一般为,符合技术要求

b1d6d32p

图a所示薄壁套筒,一端带凸缘,氮化后易变成喇叭口,如改为图a'所示结构,则变形可消失

b1d6d32q

注意孔距的合理安排

对于受力较大的零件合理安排孔位置尤为重要。图a所示模板,其螺孔与落料孔距离太近,淬火时易变形、改为图a'所示l≥s较好

螺钉孔不应位于交叉刃口的延线上,尤其不应靠近小锐角,以免局部减弱模具强度,而出现裂纹,改成图b'所示结构较好

b1d6d32r

当键槽离轮齿较近时,其键槽不应置于齿根下面,以免太薄产生断裂,应改成图a'所示结构

b1d6d32s

臂较长而又单薄的铸件应设置加强肋,使其具有合理的刚度,以免热处理时发生畸变或断裂。改成图a'所示结构,加设了横梁,使铸件刚度和强度显著增加

b1d6d32t

b1和b2不宜相差太大

b1d6d32u

全部齿一次加热,高频淬火时,t要足够大,b不宜太大,一般t≥2.5hb≤55mm

b1d6d32v

t/D不宜太小,一般在0.1~0.2以上,l2不要太小,约为2l1,R要大

渗碳齿轮可在轮辐上加开工艺孔,增厚t,以减小变形

b1d6d32w

b1和b2要相当,相差愈大变形愈大

b1d6d32x

l/d比不要太大

b1d6d32y

附加余量是为了减少渗碳时变形,热处理后应切去

b1d6d32z

从小端到大端过渡处,不淬火带的宽度fD-d确定,参见下表:

/mm

b1d6d32z1

D-d

<15

10~20

>20

f

1.5~3

3~5

5~12

 

细而长的零件如机床丝杠、细长轴等,长度与直径比不宜太大。为了避免或减少畸变,在热处理时应在井式炉内吊挂加热,其形状应便于吊具装夹。右图是常见的吊挂形式,从结构上看小件a较好,大件d最好,c是最差的、最不经济的,只有单件或极小批量生产时采用

b1d6d32z2

感应加热表面淬火的特殊要求

要  求

说  明

图  例

轴端、轴孔及齿轮端部均应有倒角

感应加热表面淬火时尖角处易过热,甚至熔化,因此轴端应有倒角,若轴有孔,孔也应倒角,如右图,孔径较大时还应配入铜铆钉,淬后拆除

b1d6d33a

从轴的小径到大径,应允许有“硬度递减区”(即过渡区)

硬度递减区的宽度和两个直径之差有关,其规定见下表:

/mm

b1d6d33b

D-d

10~20

20~30

>30

硬度递减区宽度

5~10

10~15

15

如按表所列数值进行表面淬火后对质量有影响时,则应改变设计结构,因高中频感应圈本身有一定宽度故淬火时不能淬硬到凸肩根部

轴上键槽两端必须留6~8mm不淬火带,键槽距轴端应>10mm,或开通

目的是防止淬火时键槽熔化,如设计要求必须淬硬时,应考虑能镶配紫铜销(二端要有间隙),淬后不淬火带的硬度,大约在下表范围:

b1d6d33c

钢   号

35

45

40Cr

硬度HRC

25~30

30~33

33~36

键槽距轴端间距>10mm或开通是为了防止淬裂

细长的调节螺钉要考虑淬火变形(螺距变化)

细长的调节螺钉,一般都用热轧圆钢制成,如全部都加热淬火,不仅易造成弯曲,而且螺距也会变化,造成淬火后旋不进螺母,因此对此类工件可广泛采用局部火焰淬火或高频淬火的方法,承受载荷较大的可在毛胚调质后,再局部淬硬

b1d6d33d

二联或三联以上而外径相差不大的齿轮,若齿部均需淬火时,齿部二端面间的间距应≥8mm。b2、b3要相近

为了防止在分别淬火后,先淬硬的齿轮受到后淬齿轮感应圈感应影响硬度,故二联齿轮淬火时,应先淬直径小的,再淬直径大的

b1d6d33e

塔形齿轮如在沟槽、拨叉部分要求淬火、则端部厚度应≥5mm,沟槽部分宽度≥12mm

要求端部有一定厚度,是为了防止端部开裂

要求沟槽有一定宽度,是考虑感应器的制作及操作方便

b1d6d33f

在一般条件下,不宜设计齿宽比齿轮直径大的柱形齿轮

这样的齿轮容易发生变形,而且也比较难获得合理的硬化层分布,如必须这样设计,则应采用低合金结构钢等温或分级淬硬

b1d6d33g

齿轮端面淬火时,淬火部分应凸起不小于1mm,并倒成45°角

这样一方面可避免在端面淬火时影响齿部硬度,同时淬火面积小了,高频的感应圈也比较好解决

b1d6d33h

齿部及端面均要求淬火时,端面与齿部距离≥5mm

这样可以防止端面淬硬时影响齿部的硬度

b1d6d33i

冷热加工应相互密切配合,合理安排工艺路线

凡高频淬火的齿轮、长轴套等零件,在淬火后内孔都略有收缩,因此在要求精度较高的情况下,应将长轴套、齿轮的键槽、花键在淬火之后再拉削一次以保证精度

b1d6d33j

若全部先加工,后淬火,淬火后靠近“f35”孔处的节圆直径将会下凹。因此6孔只能在高频淬火后制出

有色金属材料热处理方法目的与用途

名  称

工  艺  方  法

目  的  与  用  途

均匀化退火(扩散退火)

在加热、保温过程中,由于原子扩散作用而使合金化学成分趋于均匀

均匀化退火、再结晶退火、去应力退火等工艺方法的目的与钢只是热处理温度较低、工艺参数不同而已。但热处理强化机理则与钢不同,不是利用相变强化,而是利用强化相在固溶体中溶解度变化的原理,使强化相弥散、均匀地分布在固溶体基体中进行强化的

用于铸件或热加工前的铸锭,以消除或减少成分偏析和组织的不均匀性,提高塑性,改善加工产品的质量

再结晶退火

将冷变形加工后的制品加热到再结晶温度以上,保温后空冷

用于经冷变形加工后的制品。目的是消除冷作硬化,恢复塑性,以利于下一加工工序的顺序进行

也作为产品的最终退火,以获得细晶粒组织,改善性能

去应力退火

加热到低于再结晶温度的退火

消除锻造、铸造、焊接和切削加工产生的内应力

消除黄铜的蚀裂现象

对于不能热处理强化的铝合金和纯铝等,则是为了消除形变应力、保留冷作硬化

固溶处理(淬火)

加热到稍高于强化相最大溶解度的温度,保温后水冷,获得过饱和固溶体

是各种有色金属合金强化处理的准备工序(此时尚未强化),与随后的时效处理配合使合金达到强化的目的

自然时效

在常温下长时间停留,使固溶处理后的过饱和固溶体中的强化相脱溶

提高强度、硬度。由于此法所用时间太长,除冶金工厂外,生产中一般不采用

人工时效

在加热条件下(一般150℃左右),使固溶处理下的过饱和固溶体中的强化相脱溶

提高强度、硬度。普遍用于铝、铜等有色金属合金的强化过程

回归现象

自然时效后的铝合金,在高于人工时效的温度短时间加热后快速冷却到室温。此时合金重新变软,恢复到刚固溶处理后的状态,且仍能进行正常的时效

可使自然时效硬化了的铝合金重新软化、恢复塑性,以继续进行冷变形加工

用于铝合金制品的返修

常用有色金属材料热处理方法的选用

材  料

热 处 理 方 法

目      的

热处理不能强化的形变铝合金

高温退火

消除冷作硬化,提高塑性

低温退火

提高塑性的同时,部分保留冷变形所获得的强化效果

热处理可强化的形变铝合金

完全退火或快速(中间)退火

提高塑性并消除由于淬火时效的强化

淬火(即固溶处理,下同)+时效

获得高的强度和足够韧性

铸造铝合金

①不预先淬火的人工时效

提高强度和硬度,改善切削加工性和表面粗糙度

②退火

适于强度要求不高或不能热处理强化的合金。消除铸造应力和加工硬化。改善组织中某些脆性相形态,提高塑性,稳定尺寸

③淬火+自然时效

提高零件的强度和在100℃以下工作的抗蚀性

④淬火+不完全人工时效

用于中等载荷和在不高温度下工作的零件,以获得高的强度,并保护较高塑性

⑤淬火+完全人工时效

用于处理大载荷零件,获得最高的强度和硬度

⑥淬火+稳定化回火处理

用于高温工作的零件,与④、⑤比,强度较低,而塑性较高,回火温度接近工作温度,使组织稳定、耐蚀性提高

⑦淬火+软化回火处理

回火温度高于⑥,适于比⑥更高温度状态下工作的零件,以获高的塑性和尺寸稳定性

⑧冷处理+冷热循环处理

使零件获得高的尺寸稳定性

纯(紫)铜

再结晶退火

消除由冷变形加工引起的加工硬化,恢复塑性

黄铜

低温退火

消除内应力,防止应力腐蚀开裂和切削加工时变形

再结晶退火

包括加工工序间的中间退火和成品的最终退火。消除加工硬化,恢复塑性

青铜

均匀化退火(扩散退火)

消除或减少铸锭成分偏析和组织不均匀性,提高塑性

再结晶退火

包括加工工序间的中间退火和成品的最终退火。消除加工硬化,恢复塑性

去应力(低温)退火

消除内应力,防止应力腐蚀开裂,稳定冷变形或焊接工作的尺寸和性能,以及防止切削加工时产生的变形

淬火+时效

用于铍青铜、硅青铜、复杂铝青铜

提高强度、硬度

钛合金

去应力退火(450~650℃)

消除铸、焊和切削加工内应力,部分恢复塑性

完全退火(650~800℃)

使组织和力学性能均匀,在室温下有良好塑性和适当韧性;对于耐热合金,是使其在高温下具有尺寸和组织稳定性

钛合金多在退火状态下使用

去氢退火(540~760℃)

防止氢脆,必须在真空下进行

淬火+时效

获得高的强度并保持足够韧性

镁合金

去应力退火

消除铸造、冷热加工、矫直和焊接产生的内应力,稳定尺寸

再结晶退火

消除冷作硬化

淬火+时效

提高硬度和强度

变形铝合金的热处理方法和应用

合金类型、牌号

方法

有效

厚度

/mm

退火

温度

/℃

保温

时间

/min

冷却

方式

应  用

备  注

1070A、1060、1050A、1035、1200、8A06、3A21

高温

退火

≤6

350~500

热透为止

 

降低硬度,提高塑性,可达到最充分的软化,完全消除冷作硬化

需要特别注意退火温度和保温时间的选择,以免发生再结晶过程而使晶粒长大

5A02、5A03

>6

350~420

30

空冷

5A05、5A06

310~335

1070A、1060、1035、8A06、3A21

0.3~3

350~420

(井式炉)

50~55

>3~6

60~65

>6~10

80~85

1070A、1060、1050A、1035、1200、8A06、3A21

低温

退火

150~250

120~180

空冷

既提高塑性,又部分地保留由于冷作变形而获得的强度

消除应力,稳定尺寸

退火温度与杂质含量有关,它随杂质含量的增加而升高

5A02

150~180

60~120

5A03

270~300

60~120

3A21

250~280

60~150

2A06

完全

退火

380~430

10~60

30℃/h

炉冷至260℃,然后空冷

提高塑性,并完全消除由于淬火及时效而获得的强度,同时可以消除内应力和冷作硬化

完全退火后,半成品可以进行高变形程度的冷压加工

淬火后或淬火及时效后用冷变形强化的2A11、2A12、7A04、合金板材,不宜进行退火,因冷作硬化程度不超过10%,即在临界变形程度范围内,缓慢的退火加热,可引起晶粒粗大

2A11、2A12、2A16、2A17

390~450

LT42(旧牌号)

400~450

LC6(旧牌号)

390~430

7A04

0.3~2

390~430

(井式炉)

40~45

30℃/h

炉冷至150℃,然后空冷

>2~4

50~55

>4~6

60~65

2A11

2A12

6A02

退

0.3~4

350~370

(井式炉)

40~45

空冷

提高经淬火与时效而强化的变形铝合金的半成品及零件的塑性和软化程度

部分消除内应力

缩短退火时间

7A04、LC6(旧牌号)合金在个别情况下,可按2A12合金规范进行快速退火,但可能产生强化,所以退火与变形加工之间的放置时间不应超过240h

>4~6

60~65

>6~10

90~95

2A06、2A16、

2A17

350~370

120~240

空冷

水冷

7A04

290~320

6A02

380~420

2A50

350~400

2A14

390~410

2A06

2A11

2A12

瞬时

退火

350~380

(硝盐糟)

60~120

水冷

为消除半成品的加工冷作硬化,以获得继续加工的可能性

 

2A02

淬火

半成品

种类

淬火最低

温度

/℃

最佳

温度

/℃

发生过烧

危险温度

/℃

淬火是将零件加热到接近共晶熔点或为保证细的晶粒和某种特殊性能而足以使强化相充分溶解的温度,并保温一定时间,然后强冷至室温,以得到稳定的过饱和固溶体

淬火后强度增高,但塑性仍然足够高,可进行冷变形

自然时效的铝合金淬火后只能短时间保持良好塑性,这个时间是2A12为1.5h;2A11、6A02、2A50、2A70、2A80、2A14、2A02、2A06等为2~3h;7A04、LC6(旧牌号)、7A09为6h,因此变形工艺过程必须在上述时间内完成

棒材、锻件

490

495~508

512

2A11、2A13

 

480

485~510

525

2A06

 

495

500~510

515

2A11

板材、管材

485

490~510

520

2A12

 

490

495~503

505

棒材、锻件

485

490~503

2A16

板材、管材

525

530~542

545

棒材、锻件

520

530~542

7A04

板材、管材

450

455~480

520~530

7A09

 

450

455~480

525

LC6(旧牌号)

棒材、锻件

450

455~473

6A02

板材、管材

510

515~540

565

6A02

 

510

515~530

2A50、2B50

500

510~540

545

2A70

棒材、锻件

520

525~540

545

2A80

 

510

515~535

545

2A90

510

510~530

2A14

板材、管材

490

500~510

517

棒材、锻件

495~505

515

2A06、2A11、

2A12、6A02、

2A50、2A14

自然

时效

半成品种类

时效温度/℃

时效时间

/h

时效的目的是将淬火所得到的过饱和固溶体在低温(人工时效)或室温(自然时效)的条件下,保持一定的时间,使强化相从固溶体中呈弥散质点析出,从而使合金异常强化,获得很高的力学性能

2A06、2A11、2A12合金如低于150℃使用时,则进行自然时效;高于150℃使用时,则进行人工时效

6A02、2A50、2B50、2A70、2A80、2A90、2A14、2A02、2A16、2A17合金零件高温使用(≥150℃)时,需人工时效,但6A02、2A50、2A14合金零件也可采用自然时效

各种半成品

室温

48~144

(>96)

6A02、2A50、

2B50、2A14

人工

时效

各种半成品

150~165

6~15

2A70

180~195

8~12

2A80

165~180

8~14

2A90

挤压半成品

135~150

2~4

2A02

各种半成品

165~175

10~16

2A11

160±5

6~10

2A12

板材、挤压

半成品

185~195

6~12

2A16

各种

半成品

规范1:160~175

10~16

规范2:200~220

8~12

2A17

180~195

12~16

7A04、7A09

板材挤压

半成品

120~140

12~24

分级时效

一级

120±5

8

二级

160±5

8

LC5(旧牌号)、LC6(旧牌号)

一级

模锻件、其

他各种锻件

115~125

2~4

二级

160~170

3~5

铸造铝合金的热处理方法和应用

合金牌号

方   法

操   作

应   用

ZL-103

ZL-104

ZL-105

ZL-401

不预先淬火的人工时效

时效温度大约是150~180℃,保温1~24h

用湿砂型或金属型铸造时,可获得部分淬火效果,即固溶体有着不同程度的过饱和度

改善铸件切削加工性;提高某些合金(如ZL-103,ZL-105)零件的硬度和强度(约30%):

用来处理承受载荷不大的硬模铸造零件

ZL-101

ZL-102

ZL-103

ZL-501

退火

退火温度大约是280~300℃,保温2~4h

一般铸件在铸造后或粗加工后常进行此种处理

消除铸件的铸造应力和机械加工引起的冷作硬化,提高塑性

用于要求使用过程中尺寸很稳定的零件

ZL-101

ZL-201

ZL-203

ZL-301

ZL-302

淬火

淬火温度约为500~535℃,铝镁系合金为435℃

这种处理亦称为固溶化处理,对具有自然时效特性的合金,淬火亦表示淬火并自然时效

提高零件的强度并保持高的塑性,提高在100℃以下工作零件的耐蚀性,用于受动载荷冲击作用的零件

ZL-101

ZL-103

ZL-105

ZL-201

ZL-202

ZL-203

淬火后瞬时(不完全)人工时效

在低温或瞬时保温条件下进行人工时效,时效温度约为150~170℃

获得足够高的强度(较淬火为高)并保持较高的屈服点

用于承受高静载荷及在不很高温度下工作的零件

ZL-101

ZL-104

淬火后完全人工时效

在较高温度和长时间保温条件下进行人工时效;时效温度约175~185℃

使合金获得最高强度而塑性稍有降低

用于承受高静载荷而不受冲击作用的零件

ZL-101

ZL-103

ZL-105

淬火后稳定回火

最好在接近零件工作温度的条件下进行回火

回火温度约为190~230℃,保温4~9h

获得足够强度和较高的稳定性,防止零件高温工作时力学性能下降和尺寸变化

适用于高温工作的零件

ZL-101

ZL-103

淬火后软化回火

回火温度更高,一般约为230~270℃,保温4~9h

获得较高的塑性,但强度有所降低

适用于要求高塑性的零件

铜及铜合金热处理方法和应用

合金牌号

方  法

应  用

备  注

除铍青铜外所有合金

退火

消除应力及冷作硬化,恢复组织,降低硬度,提高塑性消除铸造应力,均匀组织和成分,提高塑性,改善加工性

可作为黄铜压力加工件的中间热处理工序,青铜件毛坯或中间热处理工序加热保温后空冷

H62、H68、HPb59-1等

低温退火

消除内应力,提高黄铜件(特别是薄的冲压件)抗腐蚀破裂(又称季裂)的能力

一般作为冷冲压件及机加工零件的成品热处理工序

锡青铜

硅黄铜

致密化退火

消除铸件的显微疏松,提高铸件的致密性

 

淬火

提高塑性,获得过饱和固溶体

采用水冷

铍青铜

淬火时效

(调质处理)

提高铍青铜零件的硬度、强度、弹性极限和屈服极限

淬火温度为790℃±10℃,需用氢气或分解氨气保护

QA19-2、QA19-4、QA110-3-1.5、QA10-4-4

淬火回火

提高青铜铸件和零件的硬度、强度和屈服极限

 

QSn6.5-0.1、QSn4-3、QSi3-1、QA17、BZn15-20

回火

消除应力,恢复和提高弹性极限

一般作为弹性元件的成品热处理工序

HPb59-1

稳定尺寸

可作为成品热处理工序

钛及钛合金热处理方法和应用

合金牌号

方法

操作

应用

备注

TA3~TA8、TB1、TB2、TC1、TC2、TC4、TC6、TC10

不完全退火

将零件加热至稍低于再结晶温度(一般为450~650℃),保温1~1.5h,然后空冷

消除因切削加工、锻造、焊接所产生的内应力,使塑性得到部分恢复

为防止零件加热时受到污染,可在真空炉加热,或通氩气或氮气予以保护

TA3~TA8、TB1、TB2、TC1~T7、TC10等

完全退火

将零件加热至高于再结晶温度而低于(α+β)→β的转变温度(一般为650~800℃),保温后空冷

较彻底地消除内应力,降低硬度、恢复塑性,并使组织力学性能均匀

为了消除和防止钛合金氢脆现象,可进行除氢退火,其温度一般是540~760℃,保温2~4h

为了使合金具有更好的综合性能,又发展了多次退火工艺

TC1、TC2、TC4、TC6、TC8、TC9

稳定化退火

加热至比相变温度低30~80℃,保温并炉冷至低于相变温度300~400℃,再保温80min±20min,然后空冷

使合金组织尽可能接近平衡状态,保证组织与性能稳定,以保证零件在较高温度下长期工作

TB1、TB2、TC3、TC4、TC6、TC8、TC9、TC10等

淬火时效

将合金加热至一定温度 (α+β合金为相变点以下30~80℃,即在α+β相区内,β合金为相变点以上10~40℃),水冷而得到过饱和的固溶体;然后再在高于脆相ω形成温度(450~600℃)加热、保温并空冷,使过饱和固溶体分解,可溶相(α相及金属间化合物)从 β固溶体中呈弥散质点析出,使合金化

使合金获得很高的强度并保持足够的韧性

使合金组织和性能具有足够的热稳定性

概述

镁合金的常规热处理工艺分为退火(消除内应力退火和完全再结晶退火)和固溶时效两大类。①消除内应力退火的

1d6d6

固溶温度和时间对ZM5合金性能的影响

(实线为σb曲线,点画线为δ曲线)

目的在于消除工件加工成形过程中的内应力,退火温度低于再结晶温度,退火时间短。②再结晶退火的目的在于消除加工硬化,回复和提高工件的塑性,退火温度高于再结晶退火的温度,退火保温时间也长。对于尺寸要求比较严格的零部件,去应力退火是必需的。③有些镁合金,如MB6、ZM5等压力加工或铸造成形后,为提高抗拉强度和断后伸长率,可进行固溶淬火处理。要使强化相充分溶解,需要较长的加热保温时间。④有些镁合金,如MB15,可以直接进行人工时效处理,得到相当高的时效硬化效果。又如对Mg-Zn系合金,加热淬火使晶粒长大,反不如进行直接人工时效。⑤固溶处理可以提高合金的屈服强度,但塑性有所降低,主要用于Mg-Al-Zn系和Mg-RE-Zr系。

镁合金能否进行热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化,当其变化时,镁合金可以进行热处理强化。可进行热

处理强化的铸造镁合金有六大系列,变形镁合金有三大系列:

某些热处理强化效果不显著的镁合金通常选择退火作为最终热处理。

镁合金热处理的主要特点是固溶和时效处理时间较长,这是因为合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢。由于同样原因,镁合金淬火时不需要快速冷却,通常在静止空气中或人工强制流动的气流中冷却。

镁合金热处理退火规范

合金牌号

完全退火

消除内应力退火

温度

/℃

时间

/h

板材

挤压件和锻件

温度/℃

时间/h

温度/℃

时间/h

MB1

340~400

3~5

205

1

260

0.25

MB2

350~400

3~5

150

1

260

0.25

MB3

250~280

0.5

MB8

280~320

2~3

MB15

380~400

6~8

260

0.25

镁合金常用的热处理规范

合金类别

合金系

合金牌号

热处理类型

固溶处理

时效(退火)

加热温度

/℃

加热时间

/h

冷却介质

加热温度

/℃

加热时间

/h

冷却介质

高强度

铸造

镁合金

Mg-Al-Zn

ZM5

Z

415±5

14~24

空气

175±5

16

空气

ZS

415±5

14~24

空气

200±5

8

空气

Z

415±5

6~12

空气

170±5

16

空气

ZS

415±5

6~12

空气

200±5

8

空气

Mg-ZN-Zr

ZM1

S

175±5

8~32

空气

195±5

16

空气

ZM2

S

325±5

5~8

空气

ZM8

ZS

480(H2)

24

空气

150

24

空气

耐热铸造

镁合金

Mg-RE-Zn-Zr

ZM3

S

200±5

10

空气

ZM4

M

325±5

5~8

空气

Z

570±5

4~6

压缩空气

ZS

570±5

4~6

压缩空气

200

12~16

空气

ZM6

ZS

530±5

8~12

压缩空气

205

12~16

空气

Mg-Y

ZM9

S

310

16

空气

高强度变

形镁合金

Mg-Mn

MB1

M

340~400

3~5

空气

Mg-Mn-Ce

MB8

M

280~320

2~3

空气

Mg-Al-Zn

MB2

M

280~350

3~5

空气

MB3

M

250~280

0.5

空气

MB5

M

320~380

4~8

空气

MB6

M

320~350

4~6

空气

Z

380±5

MB7

M

200±10

1

空气

ZS

415±5

175±5

10

Mg-Zn-Zr

MB15

S

150

2

空气

ZS

515

2

150

2

空气

耐热变形

镁合金

Mg-Nd-Zr

MA11

ZS

490~500

175

24

空气

MA12

ZS

530~540

200

16

空气

镁锂合金

Mg-Li

 

ZS

175

6

空气

M

150

16

空气

注:M为退火;Z为固溶处理;S为人工时效;ZS为固溶处理加人工时效。

镁合金主要化学成分及力学性能

类别

牌号

主要成分(质量分数)/%

热处理

状态

20℃

150℃

250℃

500℃

Zn

Zr

Mn

RE

Nd

Ce

Al

σb

/MPa

δ/%

σb

/MPa

δ/%

σb

/MPa

σ0.2/100

/MPa

σb

/MPa

σ0.2/100

/MPa

ZM1

3.5~

5.5

0.5~

1.0

SZS

240

5.0

ZM2

3.5~

5.0

0.5~

1.0

0.7~

1.7

S

220

4.0

ZM3

0.2~

0.7

0.4~

1.0

2.3~

4.0

M

145

3.0

145

25

110

ZM4

2.0~

3.0

0.5~

1.0

2.5~

4.0

S

150

4.0

130

30

95

ZM5

0.2~

0.8

0.15~

0.5

7.5~

9.0

Z(ZS)

230

(230)

5(2)

ZM6

0.2~

0.7

0.4~

1.0

2.0~

3.0

ZS

260

5.0

170

38

110

ZM8

5.5~

6.5

0.5~

1.0

2.0~

3.0

ZS

310

9.5

ZM9

   

 

S

220

8.0

140

     

MB1

1.3~

2.5

M

210

4

130

45

60

     

MB2

0.2~

0.8

0.15~

0.5

3.0~

4.0

M

240

12

           

MB3

0.8~

1.5

0.4~

0.8

4.0~

5.0

M

250

12

           

MB5

0.5~

1.5

0.15~

0.5

5.5~

7.0

M

260

8.0

           

MB6

2.0~

3.0

0.20~

0.5

5.0~

7.0

M(Z)

290

(300)

7.0

(10.0)

MB7

0.2~

0.8

0.15~

0.5

7.8~

9.2

Z

300

8.0

MB8

1.5~

2.5

0.15~

0.35

M

250

18

160

120

MB15

5.0~

6.0

0.3~

0.9

Z(ZS)

280

(370)

23.4

(9.5)

注:M为退火处理;Z为固溶处理;S为人工时效;ZS为固溶淬火加人工时效。

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