不同材料的热处理

4机器零件用钢的热处理河北工业大学教授武建军[e-mail]合金元素在钢中的作用（1）合金元素的主要存在方式：F或碳化物固溶于铁素体（奥氏体）；溶入渗碳体、形成合金渗碳体；(Fe,Cr)3C形成新的碳化物(Fe,Cr)7C3,(Fe,Cr)23C6夹杂物：活泼元素与O，N，S等形成化合物，如AlN,TiO2,MnS单质：Cu，Pb较纯的金属相非碳化物形成元素主要存在于固溶体中，如Si,Al,Cu,Ni,Co只要含碳量足够，强碳化物形成元素，主要以自己特殊的碳化物形式出现，如V,Zr,Nb,Ta其他碳化物形成元素介于二者之间，主要溶入渗碳体，部分溶入固溶体。当含量较高时（除Mn外）也会形成自己的碳化物（2）影响相图改变相图及临界点，S，E左移，4Cr13钢，3Cr2W8V钢都属于过共析钢扩大奥氏体区：C、N、Co、Ni、Mn、Cu缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al（3）对基本相的影响影响各相的存在范围（温度，成分），相的稳定性固溶强化增加碳化物数量提高碳化物的稳定性，合金渗碳体和特殊碳化物的稳定性均优于普通渗碳体（4）对热处理的影响合金元素可以影响碳扩散、碳化物和奥氏体的稳定性，从而影响奥氏体形成、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化碳化物形成元素W,Mo,Cr,V,Ti等降低奥氏体形成速度，Co，Ni提高速度阻碍奥氏体晶粒长大（Mn,P,B除外），尤其是强碳化物形成元素；溶入奥氏体的合金元素提高淬透性（Co除外）；降低Ms，Mf(Co、Al除外),A’碳化物形成元素含量较高时，还影响C曲线的形状（2个C）多种元素同时加入影响更大溶入奥氏体的合金元素提高回火稳定性，尤其是强碳化物形成元素。机器零件用钢主要包括四类渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢此外，可以采用低合金高强度钢、易切削钢、非调质钢等。4.1渗碳钢(1)工作条件及性能要求渗碳钢主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受交变载荷，特别是冲击载荷的机器零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。这类零件都要求表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，心部要有较高的强度和足够的韧性。(2)渗碳钢的成分特点1)低碳在0.10~0.25%之间，以保证心部有足够的塑性和韧性。2)加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr（≤2.0%）、Ni（≤4.5%）、Mn（≤2.0%）及微量的B（≤0.005%）等，以提高热处理后心部的强度和韧性。3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的辅加元素：Ti（≤0.10%）、V（≤2.0%）、W（≤1.20%）、Mo（≤0.60%）等形成碳化物，抑制晶粒长大，提高渗碳层硬度(3)热处理特点锻造后正火渗碳后进行:①一次(二次)淬火，或②直接淬火，③对重要零件,为减少A，可进行冷处理；最后进行:低温回火(4)常用渗碳钢及用途力学性能（不小于）类别钢号试样/mms/MPab/MPa/%/%k/J/cm2应用举例15303005001555活塞销等20Cr255508501040600齿轮、小轴、活塞销等20CrV156008501245700齿轮、小轴、顶杆、活塞销、耐热垫圈20Mn21560082047600小齿轮、小轴、活塞销等低淬透性20MnV156008001040700同上，也作锅炉、高压容器管道等20CrMn15750950600齿轮、。轴、蜗杆活塞销、摩擦轮20CrMnTi158501100700汽车、拖拉机上的变速箱齿轮20Mn2TiB1595011501045700同上中淬透性20SiMnVB15100012001045700同上18Cr2Ni4WA158501000大型渗碳齿轮和轴类件20Cr2Ni4A151100800同上高淬透性15CrMn2SiMo1590012001010800大型渗碳齿轮、飞机齿轮4.2调质钢(1)工作条件和性能要求调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。大多数调质钢属于中碳钢。调质钢具有高的强度和良好的塑性与韧性，常用于制造一些要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如轴类件、齿轮、连杆、螺栓等。调质钢是结构钢中用量较大的钢种。(2)成分特点1)中碳含碳量介于0.27-0.50%之间。碳量过低时不易淬硬，过高则韧性偏低。2)主加合金元素有Cr（2%）、Ni（4.5%）、Mn（2%）、Si（2%）、B（0.005%）等，主要作用是提高钢的淬透性。钢中同时含有多种合金元素，对提高钢的淬透性效果更好。3)辅加元素有Ti、V、W、Mo、Al等。Ti、V、W、Mo是强碳化物形成元素，能起到细化晶粒与提高回火稳定性的作用；Mo、W等还能减轻第二类回火脆性；Al可以加快钢的渗氮过程及提高渗氮层的硬度、耐磨性等性能。(3)热处理特点预处理：正火或完全退火；淬火+高温回火=调质；表面热处理①表面淬火;②化学热处理(如氮化)(38CrMoAlA氮化钢)(4)常用调质钢及用途力学性能类别钢号试样厚度/mms/MPab/MPa5/%/%k/kJ/m2用途451003506501738450制造主轴、曲轴、齿轮、柱塞等40Cr258001000945600重要调质件，如齿轮、轴、曲轴、连杆螺栓等40MnB2580010001045600代40Cr低淬透性钢45Mn2257509001045600直径60mm以下时，性能与40Cr相当，制造万向接头轴、蜗杆、齿轮、连杆等30CrMnSi2580011001045500高强度钢，作高速载荷砂轮轴、齿轮、车辆上内外摩擦片等35CrMo2585010001245800连杆及代替40CrNi作大截面齿轮与轴类件中淬透性钢38CrSi2585010001250700作载荷大的轴类件及车辆上的重要调质件38CrMoAlA3085010001450800作渗氮零件，如高压阀门、缸套等37CrNi325100011501050600作大截面并要求高强度、高韧性的零件40CrMnMo2580010001045800作受冲击载荷的高强度件，代替40CrNiMo高淬透性钢40CrNiMoA25850100012551000作重型机械中高载荷的轴类、直升机的旋翼轴、汽轮机轴等4.3弹簧钢(1)工作条件及性能要求由于弹簧及弹性元件通常是工作在冲击、震动及周期动载荷下，利用其在外力作用下产生的弹性变形所储存的能量来缓和机械上的冲击和震动，因此要求弹簧钢必须有高的抗拉强度（b）、弹性极限（e）、高的屈强比（s/b）和高的疲劳强度，同时还要求有较好的淬透性和低的脱碳敏感性，在冷热状态下容易卷绕成型。(2)成分特点中高C:0.45%～0.70%满足弹簧钢的机械性能要求Si,Mn，Cr为主要加入元素:提高淬透性、回火稳定性和屈强比辅加元素是少量的W，Mo和V，减小脱碳和过热敏感性，同时进一步提高弹性极限和屈强比。(3)热处理特点热成形法制弹簧热轧钢丝钢板→卷弯曲成型→淬火+中温回火→喷丸冷成形法制弹簧钢丝钢板→淬火+中温回火→冷卷弯曲成型→去应力→喷丸冷变形强化钢丝→冷卷弯曲成型→去应力→喷丸(4)常用弹簧钢及用途化学成分w/%热处理/℃力学性能种类牌号CSiMn其它淬火回火s/MPab/MPa5/%/%用途650.62-0.700.17-0.370.50-0.80840油5008001000935750.72-0.800.17-0.370.50-0.80820油4809001100730碳素弹簧钢850.82-0.900.17-0.370.50-0.80820油4801000115063065Mn0.62-0.700.17-0.370.90-1.20830油5408001000830小于12mm的一般机器上的弹簧，或拉成钢丝作小型机械弹簧55Si2Mn0.52-0.601.50-2.000.60-0.90870水油4801200130063020-25mm弹簧，低于230℃工作60Si2Mn0.56-0.641.50-2.000.60-0.90870油4801200130052525-30mm弹簧，低于300℃工作50CrVA0.46-0.540.17-0.370.50-0.800.80-1.10Cr0.10-0.20V850油50011501300104030-50mm弹簧，低于210℃工作的气阀弹簧60Si2CrVA0.56-0.641.40-1.800.40-0.700.90-1.20Cr0.10-0.20V850油4101700190062050mm弹簧，低于250℃工作合金弹簧钢55SiMnMoV0.52-0.600.90-1.201.00-1.300.08-0.15V0.20-0.30Mo880油5501300140063075mm弹簧，重型汽车、越野车大截面板簧4.4滚动轴承钢(1)工作条件及性能要求承受周期性交变载荷，接触应力可高达数千MPa。轴承的滚动体和套圈之间不仅存在着滚动摩擦，而且也存在相对滑动摩擦。因此，滚动轴承一般都是因为疲劳破坏或磨损而失效。另外，滚动轴承一般工作在润滑油中，所以要具有一定的抗蚀能力。这些使用条件要求滚动轴承钢应有高的接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性及足够的韧性和淬透性。(2)成分特点(1)高碳含碳量约为0.95-1.10%，保证轴承钢具有高硬度、高耐磨性和高强度。(2)主加元素为铬（0.4-1.65%）Cr提高淬透性，耐磨性，特别是疲劳强度。(3)辅加元素为硅（0.4-0.65%）、锰（0.9-1.2%）、钒（0.1-0.3%）、钼（0.2-0.6%）等。Si、Mn可进一步提高淬透性而不降低韧性，如GCr15SiMn，便于制造大型轴承。Mo、V部分溶于奥氏体中形成碳化物，提高钢的耐磨性并防止过热。(3)热处理特点一般轴承零件（如内、外圈套）的加工工艺路线为：锻轧、正火→球化退火→机械加工→淬火、低温回火→磨加工→成品可见，轴承钢的热处理工艺主要包括预先热处理的正火、球化退火、最终热处理的淬火和低温回火。(4)常用轴承钢及用途滚动轴承钢可用于制造冷冲模具、机床丝杆、轧辊、精密量具及油泵油嘴精密偶件典型热处理钢号淬火/℃回火/℃回火后/HRC用途GCr6800820150170626610mm的滚珠、滚柱和滚针GCr9800820150160626620mm以内的各种滚动轴承GCr9SiMn8108301502006165GCr158208401501606266壁厚14mm、外径250mm的轴承套。25-50mm的钢珠；直径25mm左右的滚柱等GCr15SiMn82084017020062壁厚≥14mm外径250mm的套圈。直径20-200mm的钢珠。其它同GCr15GMnMoVRE770810170≥62GSiMoMnV780820175200≥62代GCr15用于军工和民用方面的轴承4.5易切削钢在钢中添加少量S、Pb、Ca、P等元素，提高切削加工性，构成易切削钢。原理：切屑易断，减摩作用减小切削力、减小刀具磨损、提高零件表面质量牌号：前面冠以Y，如Y12Pb，Y15,Y40Mn,Y45Ca,T10Pb,Y40CrSCa等降低压力加工性能、焊接性能、力学性能5铸铁的热处理河北工业大学武建军教授5.1铸铁概论铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金,往往还含有Si、Mn、P、S等。由于价格便宜、性能优良，铸铁是工程上最常用的金属材料,广泛应用在机械制造、冶金、矿山、石油化工、交通等部门。据统计,若按重量百分比计算，农业机械中铸铁件占40-60%；汽车拖拉机中约占50-70%；机床制造中约占60-90%。5.1.1石墨的形成过程铸铁中析出石墨的过程也称作石墨化。石墨来源：L、A析出或渗碳体分解铸铁的