金属材料及热处理2.ppt

金属材料及热处理 一 Fe C Fe Fe3C合金状态图 绘图 略1 A 奥氏体 碳在 铁中的间隙固溶体 2 F 铁素体 碳在 铁中的间隙固溶体 3 固溶体 碳在 铁中的间隙固溶体 又称高温铁素体 4 Fe3C Cm 渗碳体 结构复杂的化合物 属正交晶系 5 A3 在平衡条件下亚共析钢 两相平衡的的上限温度 6 ACm 在平衡条件下过共析钢 Fe3C两相平衡的的上限温度 二 合金元素对钢组织的影响 一 对奥氏体化过程的影响1 加速奥氏体化过程的元素 Co 2 延缓奥氏体化过程的元素 Ti V Mo W 二 对马氏体转变的影响1 降低MS点 C Mn V Cr Ni Cu Mo W 2 提高MS点 Co Al 三 对奥氏体化晶粒度的影响1 阻碍晶粒张大 Ti Ni Mo Co 2 作用不明显 形成比较易溶解碳化物的元素 Cr 3 加速晶粒张大 Mn P 四 合金元素对热处理工艺的影响1 对加热温度的影响 提高退 淬 回火温度 Cr Ti Co Al V 不宜高温加热 Mn 二 合金元素对钢组织的影响 2 对加热时间的影响 不宜长时间退火 W 必须延长淬火加热时间 Cr W V 3 对化学热处理的影响促进碳吸收的元素 Cr W Mo V 五 对淬透性的影响1 提高淬透性 易使晶粒张大的元素 Mn等 降低奥氏体转化临界冷速的元素 P Ni Cr mo 2 降低淬透性 易使晶粒细化的元素 Al等 提高奥氏体转化临界冷速的元素 Ti V Co 二 合金元素对钢组织的影响 六 对回火的影响1 对回火稳定性的影响 提高回火稳定性的元素 V W Ti Cr Mo 作用不明显的元素 Al Mn Ni 2 对回火脆性的影响 促使回火脆性 Mn Cr Ni 防止或延迟回火脆性 Mo 三 机械用钢的选择 一 主要介绍结构纲和工具钢 二 结构钢用来制造工程结构和机械结构 它包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类 1 工程结构钢主要是指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种 如制造桥梁 船体 油井或矿井架 钢轨 高压容器 管道和建筑钢结构等 主要是承受各种载荷 要求具有较高的屈服强度 良好的塑性和韧性 低温韧性 耐大气腐蚀等等 2 机械制造结构钢主要用于制造各种机械零件 如轴类 齿轮 紧固件 轴承等 广泛应用于汽车 拖拉机 机床 工程机械 电站设备 飞机及火箭等装置上 主要是承受拉 压 弯 扭 冲击 疲劳应力 且往往是几种载荷同时作用 要求有良好的服役性能 有足够高的强度 塑性 韧性和疲劳强度 三 机械用钢的选择 三 机械制造结构钢的选择1 一般机械零件的主要失效形式是变形和断裂 为了保证机械零件的正常运转 传统设计只考虑钢的弹性和塑性 有的根据弹性来设计 这叫弹性设计 有些零件只允许少量塑性变形 可根据屈服强度来计算 称为塑性设计 这些情况都是只考虑到强度的强度设计 然而现在对于结构钢 强调了强度和韧性的配合 在追求提高钢的强度的同时也保证有良好的韧性 2 结构的淬透性具有十分重要的意义 淬透的钢可获得高强度和高屈服比 钢中的合金元素对增大淬透性有很大的作用 Ni Si Cr Mo Mn B 碳是钢中的主要元素 它决定了钢的淬硬性 即淬成马氏体的硬度 同时碳也是一个有效增加淬透性的元素 对淬透性要求不高的合金结构钢才采用单一合金元素合金化方案 如40Cr 45Mn2 要求较高淬透性的均采用多种合金元素综合合金化方案 22CrMo 20CrNi3等 三 机械用钢的选择 3 汽车齿轮用钢的选择 汽车齿轮多数要求表面有高的疲劳强度和耐磨性 而心部又要有高强度和韧性 这就需要进行表面化学热处理 渗碳钢是为了适用于渗碳热处理的需要而发展起来的一种钢种 渗碳钢通过表面渗碳 整体淬火 得到表面是高碳马氏体 沿截面过渡到心部是低碳马氏体或半马氏体 可使表面有高的弯曲和疲劳强度及耐磨性 而心部又有高强度和韧性 齿轮用渗碳钢都是低碳钢 应根据零件对淬透性的要求 并考虑合金元素对渗碳工艺的影响 进行综合合金化 如 活塞销等小零件 采用低淬透性的15号和20号钢即可 制作齿轮 小轴等要求一定的淬透性的用20Cr 20MnV等 制作汽车 拖拉机上承受高速中载荷并要求抗冲击和耐磨的齿轮 后桥和轴 用中淬透性渗碳钢 如20CrMnTi及22CrMn 制作大型齿轮和轴类采用高淬透性钢 如 20CrNi3 20Cr2Ni4 18Cr2Ni4W等 三 机械用钢的选择 四 工具钢对各种材料进行加工 需要采用各种工具 主要是各种刃具和模具 随着加工工业的发展 刃具和模具的负荷不断加大 因而要求更耐用的材料制造 1 工具钢按其用途可分为刃具钢 模具钢和量具钢 刃具钢在切削过程中受到弯曲 剪切 冲击 扭转 震动 摩擦等力的作用 产生热量 使刀刃温升到600 甚至更高 同时刃部也发生磨耗 所以要求刃具有高强度 高耐磨性 一定的韧性和塑性 有的还要求热硬性 模具钢可分为热作模具钢和冷作模具钢 热作模具用于加工赤热金属或液态金属 受到热疲劳 还受巨大压力 冲击 摩擦和冲刷 要求具有高温下的强度和硬度 抗热疲劳和良好的韧性 冷作模具钢如冷冲模 剪切片 冷轧辊等要求高硬度 耐磨性和一定韧性 量具钢用来制作量规 卡尺 样板等 用来测量工件尺寸和形状 要保证测量的准确度 要求高硬度 耐磨性和尺寸稳定性 三 机械用钢的选择 五 工具钢的选择1 工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两大类 高速工具钢因其成分和组织的特殊性以及产量大 而另为一类 碳素工具钢的碳的质量分数在0 65 1 35 钢号从T7 T13 经不完全淬火和低温回火 硬度在HRC58 64范围 可作为低速切削的刃具 不足在于淬透性低 必须用盐水或碱水淬火 淬火变形开裂倾向大 工作温度低于200 合金工具钢是为了弥补碳素钢的不足而加入合金元素 如Cr Mn Si W Mo V 主要钢种有Cr2 9SiCr CrMn CrWMn等 可做刃具和量具 合金元素的加入提高了钢的淬透性 可用油淬减少了变形开裂 合金工具钢如9SiCr适于制作形状较复杂的小形工件 如丝锥 扳牙 钻头 绞刀等 CrWMn钢有较高的淬透性 淬火后变形小 适于制作形状复杂的工件 如拉刀 量具和形状复杂的高精度冲摸等 CrW5钢由于W多 形成了M6C碳化物 820 淬火 回火后硬度HRC64 65 而且耐磨性好 适于制作慢速切削较硬合金的刀具 如铣刀 刨刀和雕刻用刀具 三 机械用钢的选择 2 高速工具钢高速工具钢适用于高速切削刃具 由于合金度高 可保证刃部在650 时实际硬度仍高于HRC50 从而具有优良的切削性和耐磨性 根据钢中元素成分 高速钢可分为三类 钨系高速钢 钼系高速钢 钨钼系高速钢 其中钨系的W18Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2应用最普遍 属于通用型高速钢 而高碳高钒 高钴和超硬高速钢属于特殊高性能高速钢 高速钢的热处理高速钢经锻轧后 钢材需要退火 高速钢的AC1在820 860 范围 故退火温度选择870 880 保温2 3小时 大部分合金碳化物未溶入奥氏体 此时奥氏体中合金元素含量不多 冷切时易转变成粒状珠光体和剩余碳化物 一般以冷却速度小于30 h 冷到600 出炉空冷 这样退火后W18Cr4V钢中碳化物体积百分数约为30 高速钢的淬火是为了获得高合金的马氏体 淬火后获得高合金的马氏体 具有高的抗回火稳定性 在高温回火时析出弥散合金碳化物产生次生硬化 使钢具有高的硬度和热硬性 四 钢的渗碳 一 渗碳工艺参数1 渗碳介质的化学成分 主要有几种类型 气体渗碳 天然气 甲烷 煤油等 液体渗碳 盐浴等 固体渗碳 木炭等 四 钢的渗碳 2 常用气体渗碳 四 钢的渗碳 3 渗碳温度常用920 930 对浅层渗碳 有时也采取较低的渗碳温度 如 0 35 0 65mm时 渗碳温度选用880 10 当 在0 65 0 85mm时 渗碳温度选用900 10 当 在0 85 1 0mm以上时 渗碳温度选用920 10 4 渗碳时间渗层深度确定后 所需渗碳时间可根据渗碳介质的碳势 渗碳工艺方法 渗碳温度和渗碳件所用的钢种等 利用扩散方程的解进行计算 层深 mm 660 8287 Tt1 2式中t 时间 h T 温度 K 对几个常用渗碳温度的层深计算公式可简化为 925 时 mm 0 635t1 2900 时 mm 0 533t1 2870 时 mm 0 457t1 2 四 钢的渗碳 二 渗碳的原理C含量高金相组织粗大碳化物级别高 脆性高 C含量低硬度不够 不耐磨 麻点剥落等 四 钢的渗碳 三 对渗碳质量的技术要求1 有效硬化层深度 根据国标是从表面到550HV处的距离 2 渗碳层表面硬度 58 63HRC或710HV 受力较大的工件心部硬度控制在29 43HRC 3 表面含碳量 通常为0 7 1 05 对低碳钢可取0 9 1 05 镍铬合金钢为0 7 0 8 其他合金钢为0 8 0 9 要求耐磨和抗麻点剥落则选择上限 要求强韧受冲击载荷而又一定耐磨性则选下限 4 渗层与心部组织 渗层为细针状马氏体 少量残余奥氏体及均匀分布的粒状碳化物 不允许网状碳化物存在 心部组织应为低碳马氏体或下贝氏体 不允许有块状或沿晶界析出的铁素体 五 连续式渗碳炉的工艺流程 1 预氧化炉 脱脂炉 460 10 燃烧产品表面冷加工的机械油 缓慢升高温度 防止开裂 变形 2 加热区 缓慢升温3 强渗区 1 2C 碳势 达到快速渗碳的目的 4 扩散 910 此时扩散效果最好 0 7C 技术 质量要求 此时产品综合性能较好 5 保温为淬火作准备 得到适当马氏体 表面硬度 6 回火得到适当硬度 稳定组织 消除残留内应力等 六 钢的其它热处理 一 钢的其它热处理1 钢的渗氮 渗氮炉有井式 箱式等基本类型 由于气体污染对人体伤害较大 故它们都有一个密封良好的炉罐 一般用不锈钢制造 渗氮气体一般用脱水氨气 通过氨分解度的测定来调节通入炉入的氨量以控制渗氮过程 渗氮前的热处理 常用的渗氮前热处理是调质 调质的高温回火温度至少要比渗氮温度高10 常用结构钢渗氮前的调质热处理工艺 如 40Cr在860 油淬 610 回火 可得HBS220 250 局部渗氮的防护方法 不渗部分可以渡锡或镍来保护 也可以用涂料法 常用水玻璃 20 30 石墨粉 渗氮主要参数选择 渗氮温度常在480 560 形状复杂 表面硬度要求高的采取下限 时间0 4mm内的 平均速度0 015 0 02mm h 0 4 0 7mm时 0 005 0 015mm h 炉冷到200 以下出炉 六 钢的其它热处理 2 钢的碳氮共渗气体 煤油 氨液体 盐浴 氰化物NaCN等固体 木炭 亚铁氰化钾K4Fe CN 6技术要求 CN浓度最佳为C 0 7 0 95 N 0 25 0 40 表面硬度51 61HRC 组织为 针状马氏体和少量残奥 工艺温度 一般在840 850 也有920 3 调质 高频 中频感应淬火 感应退火等 七 热处理缺陷及原因分析 一 退 正火缺陷1 退火 加热温度过高使晶界氧化或局部熔化 产品报废 加热温度过高或冷速过慢形成网状铁素体或渗碳体 重新退火 2 正火 加热温度过高得到粗大的魏氏组织 重新正火 3 球化退火不均匀 球化退火前未消除网状碳化物 正火并退火 4 退火硬度过高 退火冷速相对较高 形成索氏体 托氏体 奥氏体 马氏体等 重新退火 七 热处理缺陷及原因分析 二 淬 回火缺陷及原因分析1 淬火硬度不足 加热温度过低 冷速过慢 表面脱碳 淬透性不够 残奥过多2 组织缺陷 M A超级 C超