20、9SiCr的淬透性和淬硬性

20、9SiCr钢的淬透性与淬硬性分析
摘要：
淬硬性[1]是指在规定条件下试样淬透层深度和硬度分布来表征的材料特征，它主要取决于材料的临界淬火冷速的大小。

在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。

即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，它表示钢接受淬火的能力。

钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。

淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。

钢的淬透性是钢材本身所固有的属性，它只取决于其本身的内部因素，而与外部因素无关。

钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度和保温时间等因素有关。

淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。

淬透性[1]是指钢材在理想条件下淬火所能获得的马氏体组织硬层深度的倾向。

淬透性是钢材固有的一种属性，它取决于钢的淬火临界冷速[1]的大小。

形状、尺寸相同的不同钢材，在相同条件下淬火后，它们所获得淬层深度是不相同的，淬硬层深度越深，我们就说他的淬透性越好。

相反，淬层深度越浅，它的淬透性越差。

本次综合实验研究在正常淬火条件下，20钢和9SiCr的硬度差别与变化，来对比不同钢种的淬硬性和淬透性的差别，通过金相组织的对比来说明影响20钢和9SiCr的淬透性和淬硬性的组织因素。

关键词：淬透性淬硬性含碳量临界冷却速度
Research on Quenched and Hardenability Characteristics of 20 and 9SiCr Steels Abstract:
Quenching rigid means steel can reach the highest rigidity’s ability in normal quenching condition. Major in steel quenching rigid with carbon content. The same in different shapes, sizes steel quenching after hardness value is not the same size. According to the highest rigidity obtained to compare, the higher the better the quenching rigid, conversely, the lower the rigid quenching.
Its quench-hardening ability means steel can obtain martensitic organizations of hard layer depth in ideal quenching conditions. Its quench-hardening ability is an attribute of the inherent steel, which depends on the steel quenching cooling rate of
critical size. Under the same conditions after quenching, the same in different shapes, sizes steel, obtain differ depth is quenched. The depth of hardening layer, the better its quench-hardening ability, instead the shallow depth of quenching, its quench-hardening ability.
This comprehensive experimental research on normal quenching condition,the difference of hardness change between 45 and 60Si2Mn , to contrast different kinds of rigid and its quench-hardening ability. Through comparison of metallographic organization to illustrate the influence of 45 steel 60Si2Mn and its quench-hardening ability and organizational factors of rigid.
Keywords:
Quenched Characteristic Hardenability characteristic Carbon content Critical cooling rate
目录
第一章绪论 (4)
1.1 20、9SiCr的综合性能和应用 (4)
1.1.1 20钢的工作条件及性能要求 (4)
1.1.2 9SiCr的工作条件与性能要求 (4)
1.2钢的热处理 (4)
1.2.1优质碳素结构钢的热处理 ................... 错误！未定义书签。

1.2.2低合金刃具钢的热处理 ..................... 错误！未定义书签。

1.3合金元素在20、9SiCr中的作用 (5)
1.3.1合金元素在20中的作用 (5)
1.3.2合金元素在9SiCr中的作用 (2)
1.4 本次实验目的 (2)
第二章实验方案和实验过程 (6)
2.1实验材料及设备 (6)
2.1.1实验材料20、9SiCr的化学成分 (6)
2.1.2实验设备 (6)
2.2实验方案 (6)
2.1.2钢的热处理工艺参数 (6)
2.1.3实验过程 (3)
2.3金相显微组织观察 (7)
2.3.1金相组织的制备 (7)
2.3.2 显微摄影 (7)
第三章实验结果分析 (8)
3.1实验结果 (8)
3.1.1硬度值记录 (8)
3.1.2实验试样金相组织照片 (8)
3.2 20、9SiCr淬火后组织分析 (9)
3.3 20、9SiCr淬硬性和淬透性分析 (7)
第四章实验结论 (11)
参考文献 (11)
第一章绪论
1.1 20、9SiCr的综合性能和应用
1.1.1 20钢的工作条件及性能要求
20钢是优质低碳钢。

普碳钢经快冷正火后，有时为了消除应力，还要在400℃左右回火。

通常将普碳钢在950℃加热后水冷和在400℃回火处理，称为水韧处理。

经此处理后可使时效倾向性大为降低。

冷冲压薄板钢通常采用优质低碳钢，采用低碳钢主要是为了提高塑性，以保证钢的冷冲压性能。

冷冲压薄板用钢主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件，如车身、驾驶室、各种仪器及机器的外壳等。

这些构件一般对强度要求不高，但却要求钢板有良好的冷冲压性能。

而且这下构件通常在冲压成型后，尚需经过电镀、喷漆或上珐琅等工艺美化表面，因此还要求钢板有较小的应变时效敏感性，以防止表面出现桔皮状皱褶。

这样对冷冲压薄板的冶炼、成分和热处理提出相应的要求。

冷冲压薄板钢要求具有细小而均匀的铁素体晶粒（6-7级）。

如果晶粒过粗（1-4级），在冲压过粗中易在变形量较大的部位发生开裂，并且冲压后表面变得粗糙。

但晶粒过细（8级以上）又使钢板的塑变抗力提高，冲压性能恶化，容易磨损冲模，另外，晶粒均匀性也十分重要，当晶粒大小参差不齐时，塑性变形会变得不均匀，在相同的宏观变形量下，大晶粒的实际变形量大，容易造成提前开裂。

除铁素体的影响外，渗碳体的形态对钢板的冲压性能也有影响。

当渗碳体在晶界上析出或呈链状分布时，破坏了基体金属的连续性，而使钢板的冲压性能变坏。

通常在冷冲薄板钢的技术条件汇总，要求对渗碳体的数量和分布进行评定，并限制在一定的级别以下。

1.1.2 9SiCr的工作条件与性能要求
9SiCr是常用的合金刃具钢[2]钢种。

在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。

根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。

在钢中除含铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫元素以外，还含有一定量的合金元素，钢中的合金元素有硅、锰、钼、镍、硌、矾、钛、铅、稀土等其中的一种或几种，这种钢叫合金钢。

合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的，其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点[1]。

合金刃具钢主要用于制作截面尺寸较大且形状复杂的刃具、精密的刃具、切削刃在心部的刃具和切削速度较大的刃具等。

9SiCr钢淬火后，有较多的残余奥氏体，使其淬火变形小。

生产中常用调整淬火温度和冷却介质配合。

1.2合金元素在20、9SiCr中的作用
1.2.1合金元素在20中的作用
20钢是优质低碳钢。

主加元素有Mn、Si、S、P、C、Ni、Cu等，这些元素加入或复合加入可以提高钢的淬透性，并保证机械零件整体具有良好的综合力学性能。

辅加元素有Mo、W、V、Ti等碳化物形成元素，他们一般不单独加入，而是加在含有主加元素的钢中，切含量较少。

主要作用是细化晶粒、提高回火稳定性和钢的强韧性。

1.3.2合金元素在9SiCr中的作用
合金刃具钢实在碳素钢的基础上加入某些合金元素而发展起来的，其目的是克服碳素刃具钢的淬透性低、红硬性差、耐磨性不足的缺点。

合金刃具钢的W（C）=0.75%-1.5%，合金元素总的质量分数则在5%以下，所以又称低合金刃具钢。

加入的合金元素为Cr、Mn、W、Si和V等。

其中Cr、Mn、Si主要提高钢的淬透性，同时强化马氏体基体，提高回火稳定性；Cr、Mn、W 和V还可以细化晶粒；Cr、Mn等可溶入渗碳体，形成合金渗碳体，有利于钢耐磨性的提高。

1.4 本次实验目的
本次实验是研究在正常的淬火条件下，通过洛氏硬度计在钢件表面打洛氏硬度，比较两种钢硬度值的不同，进一步比较不同钢种的淬硬性；然后再钢件的剖开面上沿径向打一组硬度值、绘制U曲线描绘硬度的变化趋势，打磨抛光制作金相试样、观察内部组织来比较20、9SiCr的淬透性。

第二章实验方案和实验过程
2.1实验材料及设备
2.1.1实验材料20、9SiCr的化学成分(w%)
表2.1 20、9SiCr的化学成分（w%）
钢号 C/% Mn/% Si/%
20 0.17~0.230.35~0.650.17~0.37
9SiCr 0.85～1.05 0.30～0.60 1.20～1.60
2.1.2实验设备
实验用箱式电炉、洛氏硬度计、淬火用水槽、油槽及淬火介质、砂纸、电子显微
镜和夹钳
2.2实验方案
2.1.2钢的热处理工艺参数[5]
表2.2 20、9SiCr的热处理工艺参数
/℃热处理温度/℃保温时间/ min 冷却介质钢号 Ac
3
20 850 900 40 水或油
9SiCr 810 850 40 油
2.1.3实验过程
⑴选择2个Φ20×40mm的20钢件标记为1、2和2个Φ15×30mm 9SiCr钢件标
记为3、4。

⑵将1、2个钢件放入箱式保温炉中900℃下保温40min，将3、4个钢件放入箱
式保温炉中850℃下保温40min
⑶将4个钢件取出放入油中冷却。

⑷将冷却后1、3号钢件在洛氏硬度计上不同的三个部位打硬度，记下硬度值并
求出平均值。

⑸将2、4号钢件在线切割机上沿中间部分径向切开，然后打磨、抛光，制作金
相试样，观察金相组织并照相。

⑹将剖开后的2、4号钢件磨光沿径向通过直径方向打一组数据，记下每个硬度
值。

2.3金相显微组织观察
2.3.1金相组织的制备
(1)取样
(2)打磨：240﹟→400﹟→600﹟→800﹟→1000﹟→1200﹟→金相试纸
(3)抛光：先粗抛光，再细抛光，抛光剂为水，直至试样表面像镜面为止。

(4)腐蚀:试样抛光面侵入侵蚀剂中，面呈暗灰色，用水冲洗。

(5)烘干：用热风吹干。

2.3.2 显微摄影
用金相显微镜对抛光后腐蚀的表面进行拍照。

第三章实验结果分析
3.1实验结果
3.1.1硬度值记录
表3.1 淬硬性实验硬度值（HRC）
钢号⑴⑵⑶平均值
1 36 35 35 35.3
3 65 6
4 64 64.3
表3.2淬透性实验硬度值（HRC）
图3.1 20钢淬火后组织（400x）
图3.2 9SiCr淬火组织(400x)
3.2 20、9SiCr淬火后组织分析
由图3.1和图3.2所得的金相组织分析, 20钢淬火后的表面组织为板条马氏体和部分残余奥氏体，9SiCr淬火后的表面组织几乎全部转变为针条状马氏体，只含有少量铁素体和颗粒状珠光体[5]组织，这与9SiCr钢含碳量较高和大量
点一般均低于室温，当淬火冷却到室温时，就相合金元素有关；碳合金钢的M
f
当于在 Ms-Mf间的某一温度终止冷却，这样在室温下将保留下来较多的奥氏体也就是残余奥氏体，它们中有相当大一部分在继续冷却到零下温度时，还可以再转变为马氏体。

马氏体的硬度主要决定于其碳含量，而合金元素的影响较小，当C％小于1.2％时，随着奥氏体中碳浓度的提高，显著降低临界冷却速度，C曲线右移，钢的淬透性增大；当C％大于时，钢的冷却速度反而升高，C曲线[7]左移，淬透性下降。

其次是合金元素的影响，除钴外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，
均使C曲线右移，降低临界冷却速度[7]，从而提高钢的淬透性。

3.3 20、9SiCr淬硬性和淬透性分析
图3.3 20钢淬透性曲线
图3.4 9SiCr的淬透性曲线
由图3.3和图3.4所得的硬度曲线分析,根据实验前后测得硬度值的比较可绘制出20、9SiCr的硬度曲线，通过实验后绘制的20、9SiCr的硬度曲线看到，9SiCr的淬透性比20钢的淬透性好得多，且9SiCr的淬硬性较好，淬透性与淬硬性不是一个内容，其区别在于：硬度与淬硬性相关。

钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度[5]和保温时间等因素有关。

影响钢的淬硬性的主要因素是：钢的含碳量和钢中Si,B等能提高淬透性的合金元素的含量。

钢材的化学成分是影响淬透性最重要的因素之一，凡是在钢中引起“C”曲线右移或左移的合金元素，都对淬透性[9]有着极大的影响。

使“C”曲线右移的元素将提高钢的淬透性；使“C”曲线左移的元素将降低钢的淬透性。

由于钢的淬透性高低取决于其淬火临界冷速[10]的大小，而淬火临界冷速的大小又取决于过冷奥氏体的稳定性，因此，也都将影响到钢的淬透性。

20、9SiCr中都含有合金元素，且9SiCr中合金元素的含量明显高于20钢，可以使钢的C-曲线发生显著变化，即C-曲线向右移动，即减慢珠光体类型转变的形成速度。

并且它使马氏体转变温度下降。

C-曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性，这对于许多合金钢来讲是十分重要的。

合金元素对淬透性的影响的大小取决于该元素的作用程度（单位含量对淬透性的提高量）及其可能的溶解量。

除了有较强的提高淬透性的能力以外，还可以大量的溶入钢中，故为提高淬透性的最有效的元素。

含碳量的影响：
⑴亚共析钢[7]和过共析钢[7]分别多出一条转变开始线。

⑵共析钢C曲线靠右，亚共析钢随含碳量增加，C曲线左移。

⑶随含碳量增加，过冷奥氏体向贝氏体转变孕育期增长，转变所需要时间增长。

[10]点下降。

随含碳量增加，马氏体点Ms[10]，M
f
因此，9SiCr的淬硬性较、淬透性都比20钢好。

第四章实验结论
通过实验分析可知我们可以得出下列结论：
(1)9SiCr比20钢的淬透性、淬硬性好得多，且淬火可以明显提高两者的硬度，因此淬火通常是作为调质钢和弹簧钢一种最常用的热处理工艺。

(2)淬透影响因素：透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。

20钢属于低淬透性低碳调质钢不易淬透而
9SiCr中含有的大量合金可以提高钢的淬透性。

(3)钢的淬透性是正确选用钢材和制定热处理工艺的重要依据之一，如果工件淬透了，则其表里的性能就均匀一致，能充分发挥钢材的机械性能潜力，如果未淬透，则表里的性能便存在差异。

(4)凡是在钢中引起“C”曲线右移或左移的合金元素都对淬适性有着极大的影响。

参考文献
[1]王晓敏《工程材料学》哈尔滨工业大学出版社 2000
[2]崔忠圻《金属学与热处理原理》哈尔滨工业大学出版社 2000
[3]夏立芳《金属热处理工艺学》哈尔滨工业大学出版社 1998
[4]刘云旭《金属热处理原理》机械工业出版社 1981
[5]安运铮《热处理工艺学》机械工业出版社 1982
[6]胡光立《钢的热处理》西北工业大学出版社 1996
[7]胡庚祥《材料科学基础》上海交通大学 2000
[8]鸿年《现代热处理手册》化学工业出版社 2010
[9]刘增沛《热处理工艺学》科学普及出版社 1984
[10]马鹏飞《热处理技术》化学工业出版社 2009
11。