金屬材料淬火新工藝

1、金屬材料淬火新工藝在長期的生產實踐和科學實驗中，人們對金屬內部組織狀態(tài)變化規(guī)律的認識不斷深入，特別是從60年代以來，透射電鏡和電子衍射技術的應用，各種測試技術的不斷完善，在研究馬氏體形態(tài)、亞結構及其與力學性能的關系，獲得不同形態(tài)及亞結構的馬氏體的條件，第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布對力學性能影響等方面，都取得了很大的進展，建立在這些基礎上的淬火新工藝也層出不窮。循環(huán)快速加熱淬火    淬火、回火鋼的強度與奧氏體晶粒大小有關，晶粒愈細，強度愈高，因而如何獲得高于10級晶粒度的超細晶粒是提高鋼的強度的重要途徑之一。鋼經過多次相變重結晶可使晶粒不斷細化；提高加熱速度，增

2、多結晶中心也可使晶粒細化。循環(huán)快速加熱淬火即為根據(jù)這個原理獲得超細晶粒從而達到強化的新工藝。例如45鋼，在815的鉛浴中反復加熱淬火4-5次，可使奧氏體晶粒由6級細化到1215級；又如20CrNi9Mo鋼，用3000赫芝200千瓦中頻感應加熱裝置以11/s的速度加熱到760，然后水淬，使s由960MN/m2增加到1215MN/m2，氣由1107MN/m2，增加到1274MN/m2，而延伸率保持不變，均為18%。高溫淬火    這里高溫系相對正常淬火加熱溫度而言，低碳鋼和中碳鋼若用較高的淬火溫度，則可得到板條狀馬氏體，或增加板條馬氏體的數(shù)量，從而獲得良好的綜合性能。

3、    從奧氏體的含碳量與馬氏體形態(tài)關系的實驗證明，含碳量小于0.3的鋼淬火所得的全為板條狀馬氏體。但是，普通低碳鋼淬透性極差，若要獲得馬氏體，除了合金化提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性外，只有提高奧氏體化溫度和加強淬火冷卻方可。例如用16Mn鋼制造五鏵犁犁臂，采用940在10NaOH水溶液中淬火并低沮回火，可獲得良好效果。    中碳鋼經高溫淬火可使奧氏體成分均勻：得到較多的析條狀馬氏體，以提高其綜合性能。例如AISl4340鋼，870淬油后，200回火，其s為1621MN/m2， 斷裂韌性Kc為67.6MN/m，而在1200加熱，預冷至87

4、0淬油后200回火，s為1586MN/m2，斷裂韌性Kc為81.8MN/m。 若在淬火狀態(tài)進行比較，高溫淬火的斷裂韌性比普通淬火的幾乎提高一倍。金相分析表明，高溫淬火避免了片狀馬氏體(孿晶馬氏體)的出現(xiàn)，全部獲得了板條狀馬氏體。此外，在馬氏體板條外面包著一層厚100-200朋殘余奧氏體，能對裂紋尖端應力集中起到緩沖作用，因而提高了斷裂韌性高碳鋼低溫、快速、短時加熱淬火    高碳鋼件一般在低溫回火條件下，雖然具有很高的強度，但韌性和塑性很低。為了改善這些性能，目前采用了一些特殊的新工藝。    高碳、低合金鋼，采用快速、短時加熱。因為

5、高碳低合金鋼的淬火加熱溫度一般僅稍高于Ac1點，碳化物的溶解、奧氏體的均勻化，靠延長時間來達到。如果采用快速，短時加熱，奧氏體中含碳量低，因而可以提高韌性。例如T10V鋼制鑿巖機活塞，采用720預熱16分鐘，850鹽浴短時加熱8分鐘淬火，220回火72分鐘、使用壽命由原來平均進尺500m提高至4000m。如前所述，高合金工具鋼一般采用比Ac1點高得多的淬火溫度，如果降低淬火溫度，使奧氏體中含碳量及合金元素含量降低，則可提高韌性。例如用W18Cr4V高速鋼制冷作棋具，采用1190低溫淬火，其強度和耐磨性比其它冷作模具鋼高，并且韌性也較好。亞共析鋼的亞溫淬火    亞

6、共析鋼在Ac1Ac3之間的溫度加熱淬火稱為亞溫淬火意即比正常淬火溫度低的溫度下淬火其目的是提高沖擊韌性值，降低冷脆轉變溫度及回火脆傾向性，經930淬火+650回火+800亞溫淬火的韌性，隨著回火溫度的升高而單調提高，沒有回火脆性，亞溫淬火之所以能提高韌性及消除回火脆性的原因尚不清楚。有人認為主要是由于殘存著鐵素體，使脆化雜質原子P、Sb等在鐵索體富集之故。有人研究了直接應用亞溫淬火(不是作為中間處理的再加熱淬火)時淬火溫度對45、40Cr及60Si2鋼力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在Ac1到Ac3之間的淬火溫度對力學性能的影響有一極大值。在Ac3以下510處淬火時，硬度、強度及沖擊值都達到最大值，且略高

7、于普通正常淬火。而在稍高于Ac1的某個溫度淬火時沖擊值最低。認為這可能是由于淬火組織為大量鐵素體及高碳馬氏體之故。    顯然，亞溫淬火對提高韌性，消除回火脆性有特殊重要的意義。它既可在預淬火后進行、也可直接進行。淬火溫度究竟應選擇多高，實驗數(shù)據(jù)尚不充分，看法不完全一致。但是為了保證足夠的強度，并使殘余鐵索體均勻細小，亞溫淬火溫度以選在稍低于Ac1的溫度為宜等溫淬火的發(fā)展    近年來的大量實踐證明，在同等硬度或強度條件下，等溫淬火的韌性和斷裂韌性比淬火低溫回火的高。因此，人們在工藝上如何設法獲得下貝氏體組織作丁很多努力，發(fā)展了不少等

8、溫淬火的方法，現(xiàn)簡單介紹如下：預冷等溫淬火    該法采用兩個溫度不等的鹽浴，工件加熱后，先在溫度較低的鹽浴中進行冷卻，然后轉入等溫淬火浴槽中進行下貝氏體轉變；再取出后空冷。該法適用于淬透性較差或尺寸較大的工件用低溫鹽浴預冷以增加冷卻速度，避免自高溫冷卻時發(fā)生部分珠光體或上貝氏體轉變。例如(0.50.5)C十05Mn鋼制3mm厚的收割機刀片，用普通等溫淬火硬度達不到要求，而改用先在250鹽浴中冷卻30秒種，然后移人320鹽浴中保持30分鐘，則達到要求。預淬等溫淬火    將加熱好的工件先淬人溫度低于Ms點的熱浴以獲得，10的馬氏體，然

9、后移入等溫淬火槽中等溫進行下貝氏體轉變，取出空冷，再根據(jù)性能要求進行適當?shù)牡蜏鼗鼗甬旑A淬中獲得的馬氏體量不多時，也可以不進行回火。    該法是利用預淬所得的馬氏體對貝氏體的催化作用，來縮短貝氏體等溫轉變所需時間。因而該法適用于某些合金工具鋼下貝氏體等溫轉變需要較長時間的場合。在等溫轉變過程中，預淬得到的馬氏體進行了回火。分級等溫淬火    在進行下貝氏體等溫轉變之前，先在中溫區(qū)進行一次(或二次)分級冷卻的工藝。該種工藝可減少熱應力及組織應力，工件變形開裂傾向性小，同時還能保持強度、塑性的良好配合，適合于高合金鋼(如高速鋼等)復雜形狀

10、工具的熱處理。其它淬火方法    此外，尚有液氮淬火法，即將工件直接淬入196的液態(tài)氮中。因為液氮的汽化潛熱較小，僅為水的十一分之一，工件淬入液氮后立即被氣體包圍，沒有普通淬火介質冷卻的三個階段，因而變形、開裂較少，冷速比水大五倍。液氮淬火可使馬氏體轉變相當完全，殘余奧氏體量極少，可以同時獲得較高的硬度、耐磨性及尺寸穩(wěn)定性。但成本較高，只適用于形狀復雜的零件。    流態(tài)化床淬火的應用也日益廣泛。因其冷卻速度可調(相當于空氣到油的冷卻能力)，且在表面不形成蒸汽膜，故工件冷卻均勻，撓曲變形小。由于冷卻速度可在相當于空冷至油冷的范圍內調節(jié)

11、，因而可實現(xiàn)程序控制冷卻過程。它可以代替中斷淬火、分級淬火等規(guī)程來處理形狀復雜、變形要求嚴格的重要零件及工模具合金鋼的優(yōu)點：高的強度和淬透性第一節(jié) 合金元素在鋼中的作用常用合金元素：非碳化物形成元素Co Ni Cu Si Al碳化物形成元素Zr Nb V Ti W Mo Cr Mn Fe 強 中強 弱一、合金元素對鋼中基本相的影響1、形成合金鐵素體合金元素 溶入A 形成合金鐵素體 固溶強化（Cr,Ni較好）2、形成合金碳化物弱碳化物形成元素 形成合金滲碳體 (Fe,Mn)3C 中強碳化物形成元素 形成合金碳化物 (Cr23C6，F(xiàn)e3W3C) 強碳化物形成元素 形成特殊碳化物（VC，TiC）熔

12、點、硬度和穩(wěn)定性：特殊碳化物 > 合金碳化物 > 合金滲碳體 > Fe3C二、合金元素對Fe-FeC相圖的影響合金元素對A相區(qū)影響擴大A相區(qū)元素（Mn）E、S點左下移縮小A相區(qū)元素（Cr）E、S點左上移奧氏體鋼：1Cr18Ni9鐵素體鋼：1Cr17萊氏體鋼：W18Cr4V三、合金元素對熱處理的影響1、對加熱的影響 多數(shù)元素減緩A形成，阻礙晶粒長大2、對冷卻的影響 多數(shù)元素溶入A后 過冷A穩(wěn)定性 Vc淬透性 Ms點殘余A量提高淬透性的意義：增加淬硬層深度減少工件變形、開裂傾向3、對回火的影響 回火穩(wěn)定性抗回火軟化的能力 產生二次硬化（析出特殊碳化物，產生彌散強化；A殘M或B下）

13、第二節(jié) 低合金鋼一、低合金高強度鋼碳素結構鋼：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275 低合金高強度鋼：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460 Q235+Me(<3%) Q3451、成分：0.10.2%C，合金元素23% 主加元素：Mn 固溶強化 輔加元素：Ti,Cr,Nb 彌散強化使用狀態(tài)：熱軋或正火（F + P），不需最終熱處理2、性能：較高的s ，良好的塑性韌性，焊接性，抗蝕性，冷脆轉變溫度低3、常用鋼號：Q295 （09Mn2），Q345 (16Mn) 用途：工程結構 橋梁，船舶，車輛外殼、支架、壓力容器二、易切削結構鋼牌號：Y12，Y12Pb，Y30，Y 40

14、Mn性能：良好的切削加工性（170240HBS，塑性低） 切削抗力小，刀具不易磨損，加工表面粗糙度低應用： 成批、大量生產時，制作性能要求不高的緊固件和小型零件第三節(jié) 合金鋼的分類與牌號一、合金鋼分類低合金鋼低合金高強度鋼、易切削結構鋼合金結構鋼滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼合金工具鋼合金工具鋼、高速鋼特殊性能鋼不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼二、合金鋼牌號1、合金結構鋼20CrMnTi，60Si2Mn，25Cr2Ni4WA2、滾動軸承鋼GCr153、合金工具鋼9Mn2V，CrWMn4、高速鋼W18Cr4V，W6Mo5Cr4V25、不銹、耐熱鋼4Cr13，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14

15、Mo26、高錳耐磨鋼ZGMn13學習思路：用途 工作條件 性能要求 成分特點 熱處理特點 典型鋼種應用第四節(jié) 合金結構鋼一、滲碳鋼1、用途：受沖擊和強烈磨損、摩擦的零件（各類齒輪、凸輪）2、性能：表面高的硬度、耐磨性心部強而韌3、成分：0.10.25%C 低碳鋼 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得M板條） 輔加元素：W,Mo,V,Ti 細化晶粒（VC,TIC,耐磨性），4、最終熱處理：滲碳 + 淬火 + 低溫回火 組織：表層：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 殘A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：F+P5、常用鋼號：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W淬透

16、性： 低 中 高適用： 機床齒輪 汽車變速齒輪 飛機齒輪二、調質鋼1、用途：受復合應力的重要結構件（齒輪、連桿、機床主軸）2、性能：良好的綜合機械性能3、成分：0.30.5%C 中碳鋼 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si 淬透性，強化基體 輔加元素：W,Mo,V,Ti 細化晶粒, 回火穩(wěn)定性4、熱處理：預備：正火S改善組織，消除鍛造應力，便于切削加工 最終：調質回火S獲得良好的綜合機械性能表面要求高硬度,耐磨,-1，表面淬火+ 低溫回火（回火M）5、常用鋼號：45，40Cr，40CrMnMo三、彈簧鋼1、用途：彈性元件2、性能：高的e 、b 、-1 ，一定的塑韌性3、成分： 0.450.7%C

17、（碳鋼0.60.9%C）保證e 主加元素：Mn, Si, Cr 淬透性，強化基體, 回火穩(wěn)定性 輔加元素：Mo, W, V 防脫碳，細化,e ，4、熱處理：熱成型彈簧（尺寸大，60Si2Mn）：加熱成型淬火+中溫回火噴丸（回火T ）3850HRc冷成型彈簧（尺寸小，65Mn）：冷拉鋼絲 冷繞成型 去內應力退火（200300）5、常用鋼號：65，65Mn， 小尺寸的沙發(fā)彈簧 60Si2Mn 大尺寸的汽車板簧四、滾動軸承鋼1、用途：滾動軸承元件，冷沖模，量具 （滾珠、滾柱、軸承套）2、性能：硬、耐磨， -1 ，一定的韌性3、成分：0.951.15%C 硬、耐磨 主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨4、

18、熱處理： 預備：球化退火球狀P（180270HBS），改善切削加工性 最終：淬火+低溫回火回火M+合金碳化物+殘A5、常用鋼號：GCr15第五節(jié) 合金工具鋼一、刃具鋼性能：高硬度、耐磨性，紅硬性（熱硬性）， 足夠的強度、韌性1、合金刃具鋼成分：0.81.5%C 硬、耐磨 Cr, W, Mn, V 淬透性、回火穩(wěn)定性，細化晶粒，熱處理：預備：球化退火改善切削加工性最終：淬火+低溫回火回火M+合金碳化物+殘A HRC、耐磨性常用鋼號：9SiCr，CrWMn，9Mn2V用于制作切削用量不大,形狀復雜,精度較高的刀具：絲錐，板牙，拉刀2、高速鋼紅硬性高（600），淬透性好鋒鋼。鋼號：W18Cr4V（紅

19、硬性），W6Mo5Cr4V2（韌性）成分特點： 含碳量 0.71.2%C （不標） 合金元素 W，Mo，Cr，V產生二次硬化，熱硬性鍛造與熱處理： 鑄態(tài)：萊氏體中的共晶碳化物呈魚骨狀鍛造：使碳化物細化并均勻分布預備：球化退火 S+細粒狀碳化物（HBS210250）最終：淬火（1280）+三次回火（560）回火M+合金碳化物+殘A (6366HRc) 熱處理特點： 預熱次數(shù)多 防變形開裂淬火溫度高 使合金元素盡可能多地溶入A，保證紅硬性 560回火 產生二次硬化 （彌散強化+二次淬火） 回火次數(shù)多 消除殘余A，及殘余AM產生的應力二、模具鋼1、冷作模具鋼性能： 高硬度、耐磨性，足夠的強度、韌性模具鋼：T10，GCr15 尺寸小、形狀簡單的模具 9SiCr，9Mn2V，CrWMn 形狀復雜模具 Cr12,Cr12MoV 大型復雜模具 熱處理：淬火+低