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机器零件用钢的热处理合金元素在钢中的作用n(1)合金元素的主要存在方式:F或碳 化物n固溶于铁素体(奥氏体);n溶入渗碳体、形成合金渗碳体; (Fe,Cr)3C n形成新的碳化物(Fe,Cr)7C3 , (Fe,Cr)23C6n夹杂物:活泼元素与O,N,S等形成 化合物,如AlN,TiO2,MnSn单质:Cu ,Pb较纯的金属相n非碳化物形成元素主要存在于固溶体中 ,如Si,Al,Cu,Ni,Con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,Tan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n改变相图及临界点,nS,E左移, 4Cr13钢,3Cr2W8V钢 都属于过共析钢 n扩大奥氏体区: C、N、Co、 Ni、Mn、Cun缩小奥氏体区: Cr、Mo、W、 V、Ti、Si 、Al (3)对基本相的影响n影响各相的存在范围(温度,成分), 相的稳定性n固溶强化n增加碳化物数量n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n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n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n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;n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),An碳化物形成元素含量较高时,还影响C曲 线的形状(2个C)n多种元素同时加入影响更大n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。n机器零件用钢主要包括四类n渗碳钢n调质钢n弹簧钢n轴承钢n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n(1)工作条件及性能要求n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。n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n1) 低碳 在0.100.25%之间,以保证心部有足 够的塑性和韧性。n2) 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。n3) 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n锻造后正火n渗碳后进进行:n一次(二次)淬火,或n直接淬火,n对对重要零件,为为减少A,可进进行冷处处 理;n 最后进进行: 低温回火 (4)常用渗碳钢及用途4.2调质钢n(1)工作条件和性能要求n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。n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。n调质钢是结构钢中用量较大的钢种。 (2)成分特点n1)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。n2)主加合金元素有Cr(5%, 特别是有碳化物形成元素时, 应选上限温度。 如存在较多磷共晶时, 退火温度在1000-1020 5.3.2 正 火n正火的目的在于得到珠光体基体(占基体75%以 上),并细化组织,提高强度和耐磨性。n高温完全奥氏体化正火:将零件加热到 880920,保温3h,然后空冷。风冷、喷 雾冷等可以提高珠光体的量,以保证铸铁的强 度。 n中温部分奥氏体化正火:将零件加热到800 860,保温一定时间,使基体一部分转变为 奥氏体,另一部分保留为铁素体,空冷后得到 珠光体和少量破碎铁素体的基体,这样不仅可 以提高铸铁的强度,而且保证其具有较好的塑 性。 5.3.3 淬 火 与 回 火n对于要求综合力学性能较高的球墨铸铁 连杆、曲轴等,可采用调质处理。即加 热到860900,使基体转变为奥氏体, 在油中淬火得到马氏体,然后再经550 600回火,空冷n等温淬火时,将零件加热到奥氏体区( 860900),保温一定时间后,在 300左右的等温盐浴中冷却并保温,使 基体在此温度下转变为下贝氏体。 5.4 可锻铸铁n可锻化(石墨化退火;n正火和回火;n淬火回火;n石墨化退火可以与正火、淬火结合起来,控制 冷却即可6 有色金属热处理n常用有色金属有铝、铜、钛、镁、锌及 其合金等n都可以进行扩散退火、再结晶退火和去 应力退火n部分合金可以进行固溶时效。有色合金的强化方法n以铝合金为例,n1、固溶强化;如Cu, Mg, Zn, Si, Mn等加入 可形成有限固溶体。n2、时效强化:经长时间室温停留或加热至 100-200一定时间保温后,在母相固溶体的 一定晶面上出现一个原子层厚度的铜或其它原 子的偏聚区,偏聚区边缘发生晶格略变,阻碍 位错运动,因而合金强度,硬度提高。 n3、第二相强化和细晶强化;n4、冷变形强化。 6.1 铝合金的热处理nT1 人工时效nT2 退火nT4 固溶处理(自然时效)nT5 固溶处理+不完全人工时效nT6 固溶处理+完全人工时效nT7 固溶处理+稳定化回火nT8 固溶处理+软化回火固溶处理(淬火)n加热温度:溶解度线与共晶线之间n加热方式:低温(60HRC)、高耐磨 性、较高的热硬性和足够的强度和韧性 。n为了提高刀具的使用寿命,一方面可以 采用各种强韧化热处理工艺,另一方面 可以采用各种化学热处理方法,如蒸汽 处理、CN 、SN、ONC、OCSN、稀土 五元共渗、PVD等(2)成分及热处理特点n1)成分特点n高碳;硬度、耐磨性n合金元素提高淬透性、回火稳定性( 红硬性);n2)热处理特点n球化退火切削加工淬火低温回 火n合金元素含量较高时,需增加回火次 数。(3)常用刃具材料n根据形状复杂程度、截面尺寸、工作条件可以 选用n高碳钢 T10,T12等;n低合金钢9CrSi,9Mn2V,CrWMn等;n高速钢W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等n硬质合金或陶瓷n高速钢中含有较多的合金元素,淬火时需高温 加热,提高红硬性;n高速钢回火时,需要多次回火碳素刃具钢n牌号:T7T12A钢n热处理:球化退火淬火(AC1以上 )+低温回火 (160)n组织及性能: M粒状碳化物A 硬度为HRC60n用途:木工工具、板锉、刨刀等形 状简单、低负荷工具低合金钢1成分: 9CrSi、9Mn2V、CrWMn等钢。Cr、Mn、Si提高淬透性;W、Cr细化晶粒。2热处理:球化退火淬火+低温回火3组织及性能:M合金粒状碳化物A 硬度为HRC604. 用途:丝锥、板牙、钻头等形状较复 杂工具高速钢1成分特点:C=0.7 1.65,M总102合金元素作用:Cr:提高淬透性(固溶态) 、Cr7C3 加热 到980时全部溶入A中。W、Mo、V:提高红硬性(固溶态)、 W2C、V2C、VC等1100开始溶解。高速钢的热处理特点n铸态组织中碳化物很多,需要反复锻造 ;n预先热处理:退火、调质n高速钢淬火时需高温加热,提高红硬性 ;n高速钢回火时,需要多次回火n可进行多种化学热处理。如OCSNB共渗 后,性能优异(表2.7.5)高速钢的预先热处理(207)n预先热处理一般为球化退火,可以采用 普通球化、等温球化和循环球化工艺n循环球化一方面可以缩短加热时间,提 高效率,节约能源;而且可以细化组织 (奥氏体和碳化物),提高淬火后高速 钢的强度、硬度和韧性;可以消除过热 组织,并减小热处理变形W18Cr4V钢TTT曲线W18Cr4V高速钢热处理工艺路线高速钢的工艺路线:锻造 球化退火) (打碎碳化物 ) (球状P利机加工) 预热(两次 ) 淬火(减小热应力) (1280分级淬火)防止变形与开裂提高硬度和韧性回火 550570三次(提高强度、硬度和塑 性)n高速钢在常规二次硬化温度回火以前, 增加一次320380C低温回火,可以提 高强度和韧性。n因为在320380C回火时,一方面析出 一些、M3C碳化物,使MC、M2C型碳 化物在二次硬化温度更加均匀、充分析 出外,另外部分残余奥氏体生成下贝氏 体n回火前进行深冷处理如何?7.2 量具热处理n量具主要要求高硬度(56HRC)和高耐 磨性;高的组织和尺寸稳定性。n量具没有专用钢,复杂形状的量具应采 用淬火变形较小的钢,如CrWMn;要求耐 蚀性较高的可以采用4Cr13不锈钢n热处理工艺与一般高碳钢相似,为了保 持高的组织和尺寸稳定性,可以进行深 冷处理和稳定化处理(低温长时间加热 长时间低温回火)。量具类别钢号简单平板样板与卡规及大型量具15、20、20Cr、50、 55、60、65、65Mn低精度塞规、块规、卡尺等T10A、T12A、高精度量规、块规、 形状复杂的样板CrMn、CrWMn、Cr2 、GCr15抗蚀量具4Cr13、9Cr187.3.1 冷作模具热处理n冷作模具工作温度不超过200-300,主要损坏 形式是磨损,也常出现断裂和变形等。n含碳量多在1.0%以上,有时高达2.0%以上, 一方面与合金元素形成碳化物,另一方面获得 高碳马氏体,以保证钢的高硬度和高耐磨性。n加入Cr、Mo、W、V等合金元素, 形成难熔碳 化物,提高耐磨性,Cr还显著提高钢的淬透性 。热处理特点n冷作模具钢的预先热处理是球化退火, 最终热处理一般是淬火、低温回火。n对于二次硬化的高碳高铬钢(如Cr12型 钢),有时需高温回火,以产生二次硬 化,适用于在400-450温度下受强烈磨 损的模具。 7.3.2 热作模具热处理n工作时型腔表面温度可达600以上。n在工作中,热作模具承受较大的冲击载荷 和塑变摩擦,强烈的冷热循环所引起的 不均匀热应力以及高温氧化,使模具常 出现龟裂、塌陷、磨损等失效现象。n热作模具钢要求高的热硬性和高温耐磨 性,高的抗氧化能力、高的热强性和足 够的韧性。由于热作模具的体积比较大 ,还要求有较高的淬透性和导热性。 热作模具成分特点n1)中碳 含碳量一般为0.3-0.6%,在保证钢具有 高硬度(35-52HRC)、高强度的同时还有高 韧性、高的热疲劳抗力。n2)加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn 、Si等元素,Cr是提高淬透性的主要元素,同 时和Ni提高回火稳定性。Ni还增加钢的韧性, 并可与Cr、Mo一起提高钢的耐热疲劳性能。n3)加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素, Mo还能防止第二类回火脆性,提高高温强度 和回火稳定性。热处理特点n热作模具钢的预先热处理一般是完全退 火或球化退火。n最终热处理根据其用途有所不同。回火 温度根据模具的工作条件及性能要求而 定, n热锻模一般为淬火后模面中温回火、模 尾高温回火;压铸模是淬火后在略高于 二次硬化峰值的温度下多次回火,以保 证热硬性。5CrMnMo复合渗nB-N复合渗,降低了渗层的脆性,提高 了强度、塑性和韧性(222)n然后900淬火,回火,与常规处理相 比,寿命提高46倍。压铸模热处理n3Cr2W8V采用高温调质,然后较低温度 加热、等温淬火,可以提高压铸模寿命2 3倍。n然后,再经过气体氮碳共渗,耐磨性是 淬火回火状态的6.46倍。(226)8 表面处理n表面处理方法很多,如n发蓝n磷化n热喷涂n电镀n
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