合金钢及其热处理工艺

合金钢及热处理工艺

第一篇结构钢

各类结构钢的含碳量及热处理方法

第一节调质钢

调质钢分低淬透性调质钢中淬透性调质钢高淬透性调质钢

一、低淬透性调质钢油淬临界直径最大为30~40mm，合金元素种类少，总含量不大于

2.5%，常用的有铬钢、锰钢、铬硅钢和含硼钢。如30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、30Mn2、

35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、42Mn2V、40MnB等

（一）40Cr过热倾向不大，淬火性较好，回火稳定性较高，经调质后能获得较高的综合机械性能。因此它是应用最广的调质钢之一。

40Cr有两种加工路线；1）硬度较高（HB341~451）锻造-正火（退火）-加工-调质

2）硬度较低（HB255~285）锻造-调质-加工调质前是否进行正火或退火，关键在于锻造的掌握上，掌握得好，可以从略。淬火温度水淬830~850℃；油淬850~870℃。40Cr也可以制造经表面硬化处理的零件，如气体碳氮共渗，感应加热。

（二）45Mn2能促进钢的晶粒长大，显著提高钢的淬透性，45Mn2有较敏感的回火脆性，高温回火后要快冷（水或油中冷却）。淬火温度810~840℃，油淬。

（三）硅锰钢硅全部溶入铁素体，固溶强化效果显著，但含量过多（＞2%）将会较多地降低塑性和韧性。硅能提高淬透性，单一不明显，与锰或铬复合加入，效果显著。但与锰或铬共存，回火脆性敏感。此外，含硅的钢易产生脱碳现象。

常用的有35SiMn和42SiMn，它们既没有锰钢那样容易过热，也没有硅钢那样容易脱碳，但高温回火后必须快冷。

（四）含硼调质钢硼突出的作用是提高淬透性，并且加入量很少（0.0005~0.001%）时就效果显著,当有效硼在0.001%以下时,淬透性随含硼量增加增加,当超过0.001%,淬透性保持不变,超过0.003%,冲击韧性下降,即”硼脆”超过0.007%引起热脆性,增加热加工困难.含硼量一般都控制在0.0005~0.0035%,可代替1.6%Ni、0.3%Cr、0.2%Mo、0.2~0.7%Mn 的作用.微量硼对钢的过热倾向与回火脆性倾向略有增大的作用,而对回火稳定性则无

影响.在淬火冷却时，硼有促进未淬透部分出现针状铁素体的作用，使钢的韧性降低，40MnB锻造后，为改善组织，提高切削性，进行预先热处理，通常采用正火，而不是退火，以防止硼相析出造成硼脆。正火的温度在850~900℃，空冷。40MnB的淬透性和调质后的机械性能与40Cr相当，切削性良好。

二、中淬透性调质钢

这类钢油淬直径约40~60mm，通常是含有两种以上合金元素的合金钢，如铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢、铬锰硅钢等。

（一）铬镍钢

1．镍在钢中的作用其一在提高强度的同时，不降低塑性和韧性，甚至还有提高；其二，降低脆性转变温度，获得良好的低温韧性。镍单独加入钢中，对提高淬透性作用不大，与铬同时加入却显著增加钢的淬透性，并获得良好的综合机械性能。

2．40CrNi钢铬的含量虽然不及40Cr钢多，但由于铬、镍的共同作用，其淬透性远较40Cr高，40CrNi钢过热敏感性较小，回火稳定性较高。第二类回火脆性较严重，在450~550℃回火时，必须快冷。预先热处理多用完全退火，加热温度一般取820~850℃之间，经保温后炉冷至600℃出炉空冷。预先热处理也可采用正火加高温回火，正火温度870~900℃，回火温度在600~700℃之间，回火后油冷。

（二）铬锰硅钢

特点：铬锰钢机械性能接近铬镍钢，但过热倾向较大，低温冲击韧性也较差，故应用不多。在铬锰钢基础上加入1%左右的硅，构成了铬锰硅钢，硅的加入提高了强度而不降低韧性。因此铬锰硅钢的最大优点是在高强度下，具有足够的韧性。此外，还具有良好的焊接性，缺点是回火脆性很敏感，各向异性和脱碳倾向也较明显。常用的有30CrMnSi 30CrMnSi是一种高强度的调质钢，常用作重要零件或焊接构件，如高压鼓风机叶片、阀板等。

（三）铬钼钢

铬钢中加入微量的钼可以消除钢的回火脆性，并能防过热，进一步提高淬透性。铬和钼同时加入使钢调质后能获得较高的强度和冲击韧性。此外，钼还具有较好的抗回火能力和抗蠕变能力，提高钢的耐热性。因此，铬钼钢是一种具有良好的常温和高温综合机械性能。

常用的35CrMo，调质后综合机械性能良好，淬透性较高，高温下有一定的强度，长期工作温度可达500℃，因此常用来制造承受冲击、震动、弯曲、高负荷、大截面的重要零件，或强度要求高的、长期在高温（<500℃）下工作的零件。也可用作较高强度的焊接件，此外，也用作渗氮零件。

三、高淬透性调质钢

油淬临界直径大于60~100mm，属于多元合金钢主要有铬镍钼钢、硅锰钼钒硼钢、铬锰钼硼钢和硅锰钼钨钒钢，以及含镍更高的铬镍钢等。

（一）铬镍钼钢

在中碳铬镍钢中添加钼，可抑制回火脆性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和回火稳定性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和回火稳定性，使钢在调质后能获得很高的强度和韧性，所以铬镍钢是一种性能优良的钢种。常用的是40CrNiMo，它淬透性高，强度高，室温及低温韧性都良好，可用于制造强度高、截面较大或在很低温度下工作要求高韧性的重要零部件，如轮机轴、连杆等。一般情况对回火脆性不敏感，但对大截面零件，高温回火后还要在水中或油中冷却，否则冲击韧性将会降低。

（二）不含铬镍的高淬透性调质钢

由于铬镍比较稀缺面贵，所以研究出一些代替40CrNiMo的新钢种主要有：30SiMn2MoV、37SiMn2MoWV等，利用硅、锰、钼、钨等元素的适当配合，获得高淬透性、高强度和高的韧性。钢中的钒，主要是为了细化晶粒，钼、钨、钒还可增加高温回火稳定性，从而提高强度。此外，钼、钨皆减少回火脆性倾向。

四、含铝渗氮专用钢

渗氮用钢是专门用来制造高硬度、特别耐磨的、需经氮化处理的机器零件的钢。普通碳钢是不能作为渗氮用钢，只有那些含有一定的合金元素，能够在渗氮过程中形成稳定性很高的氮化物，且有较高淬透性和回火稳定性的合金钢才能够作为渗氮用钢。目前应用最广的和最成熟的只有38CrMoAlA一种。铝与氮有较强的亲和力，能形成稳定的和高硬度的并且具有高红硬性的氮化物，从而获得高耐磨性的表面。铬在钢中主要是增大钢的淬透性，提高强度，改善钢件心部的性能。至于钼的作用，主要是防止长期渗氮过程中引起的回火脆性，并提高钢的淬透性。铝在钢中有升高临界点、减缓奥氏体形成和均匀化过程（含铝的铁素体稳定性较高）的作用，因此，38CrMoAlA淬火的加热温度要高（一般在900℃以上），保温时间也要长（约为一般使金结构钢的1.5倍）。此外，铝及钼在钢中均增大脱碳倾向，加热时要多加注意。38CrMoAlA淬透性并不高，油淬时，其临界直径只有30mm。

第二节渗碳钢

一、化学成分特点

含碳量含碳量的高低，主要是根据渗碳件心部的强度和韧性的要求来确定的，这适应零件在使用条件下可能受到较大冲击载荷的情况，一般都控制在0.1~0.2%的范围内。

合金元素加入合金元素的目的，在于增大淬透性，细化晶粒，改善渗碳性能

1．增大淬透性如铬、镍、锰、钼等

2．奥氏体晶粒渗碳温度高达900~950℃，时间长达10h以上，因此有心要加入一些能减少奥氏体晶粒长大倾向的元素来细化晶粒。这些元素多属于强的或较强的碳化物形成元素，如钛、钒、钨、钼等。

2．获得良好的渗碳性能（包括表面碳量适当，过度层平缓，渗碳速度快等到）常用渗碳钢

一、低淬透性渗碳钢合金元素总含量在2%以下，淬透性和强度都较低，常用的有铬钢和锰钢，