金属材料淬火新工艺

金属材料淬火新工艺在长期的生产实践和科学实验中，人们对金属内部组织状态变化规律的认识不断深入，特别是从60年代以来，透射电镜和电子衍射技术的应用，各种测试技术的不断完善，在研究马氏体形态、亚结构及其与力学性能的关系，获得不同形态及亚结构的马氏体的条件，第二相的形态、大小、数量及分布对力学性能影响等方面，都取得了很大的进展，建立在这些基础上的淬火新工艺也层出不穷。㈠循环快速加热淬火淬火、回火钢的强度与奥氏体晶粒大小有关，晶粒愈细，强度愈高，因而如何获得高于10级晶粒度的超细晶粒是提高钢的强度的重要途径之一。钢经过α→γ→α多次相变重结晶可使晶粒不断细化；提高加热速度，增多结晶中心也可使晶粒细化。循环快速加热淬火即为根据这个原理获得超细晶粒从而达到强化的新工艺。例如45钢，在815℃的铅浴中反复加热淬火4-5次，可使奥氏体晶粒由6级细化到12～15级；又如20CrNi9Mo钢，用3000赫芝200千瓦中频感应加热装置以11℃/s的速度加热到760℃，然后水淬，使σs由960MN/m2增加到1215MN/m2，气由1107MN/m2，增加到1274MN/m2，而延伸率保持不变，均为18%。㈡高温淬火这里高温系相对正常淬火加热温度而言，低碳钢和中碳钢若用较高的淬火温度，则可得到板条状马氏体，或增加板条马氏体的数量，从而获得良好的综合性能。从奥氏体的含碳量与马氏体形态关系的实验证明，含碳量小于0.3％的钢淬火所得的全为板条状马氏体。但是，普通低碳钢淬透性极差，若要获得马氏体，除了合金化提高过冷奥氏体的稳定性外，只有提高奥氏体化温度和加强淬火冷却方可。例如用16Mn钢制造五铧犁犁臂，采用940℃在10％NaOH水溶液中淬火并低沮回火，可获得良好效果。中碳钢经高温淬火可使奥氏体成分均匀：得到较多的析条状马氏体，以提高其综合性能。例如AISl4340钢，870℃淬油后，200℃回火，其σs为1621MN/m2，断裂韧性Kc为67.6MN/m，而在1200℃加热，预冷至870℃淬油后200℃回火，σs为1586MN/m2，断裂韧性Kc为81.8MN/m。若在淬火状态进行比较，高温淬火的断裂韧性比普通淬火的几乎提高一倍。金相分析表明，高温淬火避免了片状马氏体(孪晶马氏体)的出现，全部获得了板条状马氏体。此外，在马氏体板条外面包着一层厚100-200朋残余奥氏体，能对裂纹尖端应力集中起到缓冲作用，因而提高了断裂韧性．㈢高碳钢低温、快速、短时加热淬火高碳钢件一般在低温回火条件下，虽然具有很高的强度，但韧性和塑性很低。为了改善这些性能，目前采用了一些特殊的新工艺。高碳、低合金钢，采用快速、短时加热。因为高碳低合金钢的淬火加热温度一般仅稍高于Ac1点，碳化物的溶解、奥氏体的均匀化，靠延长时间来达到。如果采用快速，短时加热，奥氏体中含碳量低，因而可以提高韧性。例如T10V钢制凿岩机活塞，采用720℃预热16分钟，850℃盐浴短时加热8分钟淬火，220℃回火72分钟、使用寿命由原来平均进尺500m提高至4000m。如前所述，高合金工具钢一般采用比Ac1点高得多的淬火温度，如果降低淬火温度，使奥氏体中含碳量及合金元素含量降低，则可提高韧性。例如用W18Cr4V高速钢制冷作棋具，采用1190℃低温淬火，其强度和耐磨性比其它冷作模具钢高，并且韧性也较好。㈣亚共析钢的亚温淬火亚共析钢在Ac1～Ac3之间的温度加热淬火称为亚温淬火．意即比正常淬火温度低的温度下淬火．其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆倾向性，经930℃淬火+650℃回火+800℃亚温淬火的韧性，随着回火温度的升高而单调提高，没有回火脆性，亚温淬火之所以能提高韧性及消除回火脆性的原因尚不清楚。有人认为主要是由于残存着铁素体，使脆化杂质原子P、Sb等在铁索体富集之故。有人研究了直接应用亚温淬火(不是作为中间处理的再加热淬火)时淬火温度对45、40Cr及60Si2钢力学性能的影响，发现在Ac1到Ac3之间的淬火温度对力学性能的影响有一极大值。在Ac3以下5～10℃处淬火时，硬度、强度及冲击值都达到最大值，且略高于普通正常淬火。而在稍高于Ac1的某个温度淬火时冲击值最低。认为这可能是由于淬火组织为大量铁素体及高碳马氏体之故。显然，亚温淬火对提高韧性，消除回火脆性有特殊重要的意义。它既可在预淬火后进行、也可直接进行。淬火温度究竟应选择多高，实验数据尚不充分，看法不完全一致。但是为了保证足够的强度，并使残余铁索体均匀细小，亚温淬火温度以选在稍低于Ac1的温度为宜．㈤等温淬火的发展近年来的大量实践证明，在同等硬度或强度条件下，等温淬火的韧性和断裂韧性比淬火低温回火的高。因此，人们在工艺上如何设法获得下贝氏体组织作丁很多努力，发展了不少等温淬火的方法，现简单介绍如下：⒈预冷等温淬火该法采用两个温度不等的盐浴，工件加热后，先在温度较低的盐浴中进行冷却，然后转入等温淬火浴槽中进行下贝氏体转变；再取出后空冷。该法适用于淬透性较差或尺寸较大的工件．用低温盐浴预冷以增加冷却速度，避免自高温冷却时发生部分珠光体或上贝氏体转变。例如(0.5～0.5)％C十0．5％Mn钢制3mm厚的收割机刀片，用普通等温淬火硬度达不到要求，而改用先在250℃盐浴中冷却30秒种，然后移人320℃盐浴中保持30分钟，则达到要求。⒉预淬等温淬火将加热好的工件先淬人温度低于Ms点的热浴以获得，10％的马氏体，然后移入等温淬火槽中等温进行下贝氏体转变，取出空冷，再根据性能要求进行适当的低温回火．当预淬中获得的马氏体量不多时，也可以不进行回火。该法是利用预淬所得的马氏体对贝氏体的催化作用，来缩短贝氏体等温转变所需时间。因而该法适用于某些合金工具钢下贝氏体等温转变需要较长时间的场合。在等温转变过程中，预淬得到的马氏体进行了回火。⒊分级等温淬火在进行下贝氏体等温转变之前，先在中温区进行一次(或二次)分级冷却的工艺。该种工艺可减少热应力及组织应力，工件变形开裂倾向性小，同时还能保持强度、塑性的良好配合，适合于高合金钢(如高速钢等)复杂形状工具的热处理。㈥其它淬火方法此外，尚有液氮淬火法，即将工件直接淬入－196℃的液态氮中。因为液氮的汽化潜热较小，仅为水的十一分之一，工件淬入液氮后立即被气体包围，没有普通淬火介质冷却的三个阶段，因而变形、开裂较少，冷速比水大五倍。液氮淬火可使马氏体转变相当完全，残余奥氏体量极少，可以同时获得较高的硬度、耐磨性及尺寸稳定性。但成本较高，只适用于形状复杂的零件。流态化床淬火的应用也日益广泛。因其冷却速度可调(相当于空气到油的冷却能力)，且在表面不形成蒸汽膜，故工件冷却均匀，挠曲变形小。由于冷却速度可在相当于空冷至油冷的范围内调节，因而可实现程序控制冷却过程。它可以代替中断淬火、分级淬火等规程来处理形状复杂、变形要求严格的重要零件及工模具合金钢的优点：高的强度和淬透性第一节合金元素在钢中的作用常用合金元素：非碳化物形成元素——CoNiCuSiAl碳化物形成元素——ZrNbVTiWMoCrMnFe强中强弱一、合金元素对钢中基本相的影响1、形成合金铁素体合金元素→溶入A→形成合金铁素体→固溶强化（Cr,Ni较好）2、形成合金碳化物弱碳化物形成元素形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C中强碳化物形成元素形成合金碳化物(Cr23C6，Fe3W3C)强碳化物形成元素形成特殊碳化物（VC，TiC）熔点、硬度和稳定性：特殊碳化物合金碳化物合金渗碳体Fe3C二、合金元素对Fe-FeC相图的影响合金元素对A相区影响扩大A相区元素（Mn）——E、S点左下移缩小A相区元素（Cr）——E、S点左上移奥氏体钢：1Cr18Ni9铁素体钢：1Cr17莱氏体钢：W18Cr4V三、合金元素对热处理的影响1、对加热的影响多数元素减缓A形成，阻碍晶粒长大2、对冷却的影响多数元素溶入A后→过冷A稳定性↑→Vc↑→淬透性↑→Ms点↓→残余A量↑提高淬透性的意义：①增加淬硬层深度②减少工件变形、开裂倾向3、对回火的影响①回火稳定性→抗回火软化的能力②产生二次硬化（析出特殊碳化物，产生弥散强化；A残→M或B下）第二节低合金钢一、低合金高强度钢碳素结构钢：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275低合金高强度钢：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460Q235+Me(3%)→Q3451、成分：0.1~0.2%C，合金元素2~3%主加元素：Mn——固溶强化辅加元素：Ti,Cr,Nb——弥散强化使用状态：热轧或正火（F+P），不需最终热处理2、性能：较高的σs，良好的塑性韧性，焊接性，抗蚀性，冷脆转变温度低3、常用钢号：Q295（09Mn2），Q345(16Mn)用途：工程结构——桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器二、易切削结构钢牌号：Y12，Y12Pb，Y30，Y40Mn性能：良好的切削加工性（170~240HBS，塑性低）切削抗力小，刀具不易磨损，加工表面粗糙度低应用：成批、大量生产时，制作性能要求不高的紧固件和小型零件第三节合金钢的分类与牌号一、合金钢分类低合金钢——低合金高强度钢、易切削结构钢合金结构钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢合金工具钢——合金工具钢、高速钢特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢二、合金钢牌号1、合金结构钢——20CrMnTi，60Si2Mn，25Cr2Ni4WA2、滚动轴承钢——GCr153、合金工具钢——9Mn2V，CrWMn4、高速钢——W18Cr4V，W6Mo5Cr4V25、不锈、耐热钢——4Cr13，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo26、高锰耐磨钢——ZGMn13学习思路：用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用第四节合金结构钢一、渗碳钢1、用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）2、性能：表面——高的硬度、耐磨性心部——强而韧3、成分：0.1~0.25%C——低碳钢主加元素：Cr,Ni,Mn,B——↑淬透性（心部得M板条）辅加元素：W,Mo,V,Ti——细化晶粒（VC,TIC,耐磨性↑），4、最终热处理：渗碳+淬火+低温回火组织：表层：高碳回火M+Fe3C或碳化物+残A心部：淬透：低碳回火M未淬透：F+P5、常用钢号：20,20Cr,20CrMnTi,18Cr2Ni4W淬透性：低中高适用：机床齿轮汽车变速齿轮飞机齿轮二、调质钢1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）2、性能：良好的综合机械性能3、成分：0.3~0.5%C——中碳钢主加元素：Cr,Ni,Mn,Si——↑淬透性，强化基体辅加元素：W,Mo,V,Ti——细化晶粒,↑回火稳定性4、热处理：预备：正火——S——改善组织，消除锻造应力，便于切削加工最终：调质——回火S——获得良好的综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+低温回火（回火M）5、常用钢号：45，40Cr，40CrMnMo三、弹簧钢1、用途：弹性元件2、性能：高的σe、σb、σ-1，一定的塑韧性3、成分：0.45~0.7%C（碳钢0.6~0.9%C）——保证↑σe主加元素：Mn,Si,Cr——↑淬透性，强化基体,↑回火稳定性辅加元素：Mo,W,V——防脱碳，细化,↑σe，4、热处理：热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）：加热成型→淬火+中温回火→喷丸（回火T）38~50HRc冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火（200~300℃）5、常用钢号：65，65Mn，小尺寸的沙发弹簧60Si2Mn大尺寸的汽车板簧四、滚动轴承钢1、用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具（滚珠、滚柱、轴承套）2、性能：硬、耐磨，↑σ-1，一定的韧性3、成分：0.95~1.15%C——硬、耐磨主加元素：Cr——↑淬透性，硬，耐磨4、热处理：预备：球化退火——球状P（180~270HBS），改善切削加工性最终：淬火+低温回火——回火M+合金碳化物+残A5、常用钢号：GCr15第五节合金工具钢一、刃具钢性能：高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性），足够的强度、韧性1、合金刃具钢⑴成分：0.8~1.5%C——硬、耐磨Cr