湖 南 科 技 大 学金属材料专业综合设计题目38CrMoAl钢的热处理工艺计作者田启慧学院机电工程学院专业金属材料工程学号0803050124指导教师尹何迟、崔大田二一一年 六 月 十 日目 录一、 程设计的任务与性质.3二、 课程设计的目的.3三、 设计内容与基本要求.3四、 设计步骤34、1 方案确定34、2 热加工64、3 热处理工艺设计.7五 、实验设备.16六 、参考文献.16一、 程设计的任务与性质金属热处理原理与工艺课程是一门重要的专业课程，金属材料热处理工艺设计级实验操作时一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，运用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于强化学生解决问题、分析问题的能力。二、 课程设计的目的1、 课程设计属于金属热处理原理与工艺课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。2、 培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。3、 培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。4、 提高技术总结及编制技术的能力。5、 是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。三、 设计内容与基本要求设计内容：独立完成38CrMoAl钢的热处理工艺设计，包括工艺方法、路线、参数的确定，热处理设备及操作，金相组织分析，材料性能检测等。基本要求：1、 课程设计必须独立进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。2、 合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。3、 正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。4、 正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。5、 课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图像清晰。四、 设计步骤4、1 方案确定1、38CrMoAl 高铝合金结构钢介绍牌号：38CrMoAl 38CrMoAl 是合结钢的其中一种, 国内执行标准GB/T3077- 1999。38CrMoAl 是一种专用氮化钢, 经过热处理和精加工后的38CrMoAl 圆钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度, 并具有良好的耐热性及腐蚀性。处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl 氮化后的表面硬度在920HV 以上,预处理为调质(通常调质硬度要求260HB, 如262302HB)。38CrMoAl 氮化速度较快, 可以得到较深的氮化层深度, 但氮化层的脆性相对较大, 淬透性不高, 因而不太适合制作承受冲击很大的零件。国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮。38CrMoAl用途38CrMoAl合结钢是一种耐海水腐蚀的专用钢材。 A、38CrMoAl合结钢材料，主要用来制作管道及设备。具有很强的耐腐蚀性，安装也很方便等优点。 B、能耐腐蚀的原因： (1)38CrMoAl合结钢材料中的Al（铝），能与空气中的O（氧）化学反应生成Al2O3（三氧化二铝）.从而行成保护膜，既防腐又耐腐。 (2)38CrMoAl合结钢中的Cr（铬），Mo（钼），离子在海水中能自动补充Cl（氯）离子对钢材点腐蚀形成的空隙，形成致密保护层，阻止点腐蚀向纵深发展。进而起到耐腐，使使用寿命加长。 C、焊接 38CrMoAl无缝钢管材料焊接性能较好，配有专用耐腐焊条“海O3”，无特殊焊接要求。 D、应用举例 38CrMoAl无缝钢管材料，是沿海电厂，沿海油田，沿海天然气及石化厂输送水，油气及含海水介质的最理想的管路及加工件制作材料。 38CrMoAl是专用氮化钢,一般仅用于需要表面高度耐磨经氮化处理的零件,通常氮化后的表面硬度在920HV以上,预处理为调质(通常调质硬度要求 260HB,如262302HB)。38CrMoAl氮化速度较快，可以得到较深的氮化层深度，但氮化层的脆性相对较大，因而不太适合制做曾受冲击很大的零件。国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮（建议采用Cr-Mo-V等类氮化钢）。 2、化学成分碳 C ：0.350.42 硅 Si：0.200.45 锰 Mn：0.300.60 硫 S ：允许残余含量0.035 磷 P ：允许残余含量0.035 铬 Cr：1.351.65 铝 Al：0.701.10 镍 Ni：允许残余含量0.030 铜 Cu：允许残余含量0.030 钼 Mo：0.150.25 3、力学性能： 抗拉强度 b (MPa)：980(100) 屈服强度 s (MPa)：835(85) 伸长率 5 (%)：14 断面收缩率 (%)：50 冲击功 Akv (J)：71 冲击韧性值 kv (J/cm2)：88(9) 硬度 ：229HB 4、物理性能1、临界点临界点Ac1 Ac3Ar1Ar3Ms温度（近似值）7608856757403605、锻造工艺加热温度开锻温度终锻温度冷却方式1180120010501100850缓冷6、热处理工艺项目退火正火淬火回 火温度840870930970940150200300400500550600650冷却炉冷空冷油水或油水或油水或油水或油硬度HRC229HB5656515145393531284、2 热加工试验导轨型号有两种，即LG25 型，外形尺寸23 mm22. 5mm760mm；LG30 型，外形尺寸28mm27. 5mm760mm。导轨如图1 所示，其中无括号数字为LG25 型尺寸，括号内数字为LG30 型尺寸。 离子氮化导轨用材为38Cr MoAl A 钢，毛坯为热轧棒材，直径分别为40 mm 和50mm，经切削加工成形。导轨氮化的技术条件： 表面硬度650HV ，氮化层深度0. 4mm，脆性2 级，变形量的检验方法和允差见图2 、图3 和附表。 热处理规范：淬火940,油冷;回火640,油冷。硬度2630HRC用压力机校直后去应力退火：550 6小时，加工至成品尺寸。渗氮处理：第一阶段，510到520摄氏度，氨分解率18到25%，20个小时，第二阶段，550到560摄氏度，氨分解率40到60%，30个小时，退氮2小时，560到570摄氏度，退氮大于80%，低于200摄氏度出炉。4、3 热处理工艺设计热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。热处理的三个阶段：加热、保温和冷却。五个要素：加热介质、加热速率、加热温度、保温时间和冷却速率（如下图所示）。时间（h）温度()加热v加保温t加冷却V冷 保1、 预先热处理毛坯选用两种预先热处理工艺，即退火和调质。退火工艺： 870 保温2h，炉冷至500 以下出炉空冷。硬度229HBW。调质： 930 940 保温1. 5h，油冷淬火；随后680 回火3h，空冷。硬度25 28HRC。经预先热处理的毛坯，在粗加工工序后，进行第一次去应力退火。在精加工工序完成后，再进行第二次去应力退火。去应力退火工艺( 两次退火工艺均相同) ： 温度650 保温2h，炉冷至250 以下出炉。2、毛坯离子氮化试验结果及其分析 ( 1) 离子氮化工艺规范 供毛坯氮化用的设备为额定输出直流电流为30A 的立式离子氮化炉。氮化温度和时间分别为： 530 / 8h、550 / 15h、550 / 22h 和560 / 10h。 ( 2) 氮化层的组织、表面硬度及硬度梯形38CrMoAl A 钢经530 / 8h 离子氮化后，渗层组织由表及里依次为+ + 心部组织。其特征是：最表层厚度0. 02 0. 03mm 白亮色化合物层，即相。紧靠白亮色化合物层的次表层，出现脉状组织，厚度0. 01 0. 15mm，相成分为+ 。往后是扩散层，相成分是+ 。再往里是心部组织。在金相分析中还可以看到，氮化前的金相组织和氮化工艺参数对氮化后脉状组织的含量有较大影响。退火组织在氮化过程中形成脉状组织的倾向比调质组织大得多，而且氮化温度越高，氮化时间越长，均促进脉状组织的形成。 经不同预先热处理的38CrMoAl A 钢于540 560 离子氮化22h，硬度沿氮化层的分布如图4 所示。 由图4 可以看到，经上述工艺处理后，氮化层深度保持在0. 50mm 以上。氮化层的硬度梯度与预先热处理有关。在相同的离子氮化工艺条件下，退火状态导轨约0. 2mm的外表层硬度比调质状态高，离表面0. 1mm 处，退火状态的硬度高于800HV100 ，而调质状态此处的硬度仅保持650HV100 ；离表面0. 15mm 处，退火状态的硬度仍然高于700HV100 ，但调质状态此处的硬度已低于600HV100。预先热处理对变形的影响 分别经退火和调质预先热处理的LG25 型导轨，在相同的工艺参数下( 550 / 15h) 进行离子氮化。结果发现，不管是退火还是调质的导轨，对氮化导轨B 面的变形没有多大的影响，弯曲量维持在0. 050 0. 060mm范围内，但对A 面的变形影响很大，退火导轨氮化后A 面的相对最大弯曲量已达到0. 4mm，而调质导轨的弯曲量更大，竟达1. 81. 9mm。 预先热处理对变形的影响如此明显，与预先热处理组织的稳定性有关。退火组织接近于平衡组织，在氮化过程中基体组织处于较稳定状态，故氮化后导轨的变形较小。调质导轨则不同，它的基体组织回火索氏体处于亚稳状态。虽然氮化温度低于调质时的回火温度，也低于去应力退火的温度，但在氮化长时间的保温过程中，碳原子获得能量进行扩散聚集，力图向平衡状态过渡。这一过程对导轨应力状态的改变显然比退火强烈得多，因此，调质导轨氮化的变形比退火导轨大是预料之中的情况。38CrMoAl(热轧后退火)的金相图 图1(200) 图2(100)工艺情况：热轧后退火浸蚀方法：图1：未浸蚀；图2：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：图1：由表面向内45度方向发展裂纹，开口宽、尾细、缝内有氧化物。图2：同一试样浸蚀后可见裂纹两侧严重脱碳-为铁素体组织