合金钢及其热处理工艺

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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,

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