9sicr热处理实验报告

1、机械工程材料实验报告一.任务书分析1.圆板牙的服役条件及可能的失效形式1.1用圆片板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。板牙的内径和中径为切削部 板牙分，尤其是板牙内径要承受较大的切削力，因此必须具有一定的强度和切削能力。考虑到板牙切削出的螺钉与螺孔配合时应有一定的间隙，并考虑到磨损量，故设计板牙时，应使内径和中径小于螺纹内径、中径的标称尺寸1.2. 1疲劳断裂的分析疲劳断裂是机械零件在循环应力作用下，将会出现的疲劳断裂。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的50%90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变力作用下形成微裂纹，随着循环数

2、增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。1.2.2 磨损失效的分析 磨损是相互接触的零件间存在滑动时，接触表面会因发生摩擦损坏而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐发生的破坏形式。主要有磨粒磨损和黏着磨损。磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面间的沟槽。黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生黏着、焊合现象，分离时黏合处撕

3、开，从而将小块料撕去，造成表面损伤。提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒，更有利。二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力， 此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少摩擦磨损。1.2.3 变形失效的分析 变形失效主要有弹性和塑性变形失效。 弹性变形失效是零件过量弹性变形产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因零件刚度不够，除结构因素外，还取决与材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。 塑性变形失效是零件因过量塑性变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。零件产生塑性变形，是

4、由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。在设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。 1.3材料的选择及其技术要求 适合做板牙的材料一般有4种 9SiCr、Crl2MoV、Crl2MoV、65Nb要承受强烈的摩擦，并承受冲击载荷及挤压力，其失效形式通常是齿部磨损、点蚀、崩齿和剥落。板牙一般采用9SiCr、Crl2MoV等合金工具钢制造，要求硬度5962 HRC。1.31 9SiCr根据长期积累的经验，将两块搓丝板背靠背绑扎在专用的淬火夹具上，400500 oC空气炉预热，860870盐浴加热，淬火介质为160180 oC硝盐或热油；(210230)x2 h x 2次硝盐浴回火，硬度5

5、96l HRC。1.3.2 Crl2MoV制作的板牙有低淬低回和高淬高回两种热处理工艺。高、低淬火工艺各有千秋，笔者主张不高不低的方法，即500空气炉烘干，850中温炉预热，10501060 oC加热，在580600 oc的中性盐浴中分级35 rain，立即放入260280硝盐中等温3045 rain；(500520)oC X 2 h2次回火。结果硬度5962 HRC，工件畸变小，使用寿命高。1.3.3 65Nb 600、850两次预热，1120加热，580620 oC中性盐浴分级淬火；570 oC15 h x 2次回火，硬度610615 l-IltC。65Nb钢制的板牙使用寿命高，甚至超过进

6、口的同类产品。但是工艺叫我繁琐,成本较大.1.34 GW30此钢结硬质合金制螺丝板牙用GW30钢结硬质合金制作的较Crl2钢搓丝板使用寿命可提高7倍以上。热处理工艺为500X2 h空气炉去应力；9604 minmm加热，淬6080热油；(160180)X 2 h回火。硬度6065 HRC。经过对比和分析,本工艺采用9sicr较为合理1.4 9sicr材料的一般情况9SiCr钢是低合金刃具用钢，但也常常制作冷作模具零件，效果很好。它比铬钢（Cr2或9Cr2）有更高的淬透性和淬硬性并且有较高的回火稳定性。适合分级淬火或等温淬火。该钢最早引自前苏联的9XC，过去曾称作9CrSi钢。成分和性能与9XC

7、完全一样。在我国已有很长的应用历史。外国同类钢号仅有德国的90CrSi5瑞典的2092和SR1855，DF-1。其他国家未见有相似钢号。该钢可作多种形状复杂，变形要求小的冷作模具零件。 9sicr高碳合金工具钢，韧性较好，具有较好的回火稳定性，热处理时变形小。该钢中碳化物分布均匀，不易析出碳化物网，并易于正火消除，通过正火可以消除网状以及粗片碳化物组织。但是抗压强度和耐磨性不足，加工性较差。该钢的表面残余含碳量为0.6%0.7%的脱碳层时，由于碳化物的减少使得表面层的过热敏感性增大。经正常加热淬火以后表面硬度仍可以达到6062HRC，但其抗弯强度却下降40%50%。表面层晶粒度达到7级，心部为

8、10级。 该钢锻造性能良好，由于易脱碳，需要在中性气氛或者保护气氛炉中加热。施以锻热调质处理，可以获得细密的回火索氏体组织，简化工艺，省时节电，既有良好的切削加工性能，又有理想的余热处理组织。 特宝金属特殊钢该钢受热软化温度为320，淬透性比铬钢好，油淬淬硬性深度4050mm。该钢零保温淬火韧化工艺，可以消除搓丝=板因常规淬火加热氧化脱碳造成的早期失效，不均匀奥氏体修或可以细化马氏体，搓火后得到隐晶马氏体或者细针状马氏体，这种组织强韧性好。 9SiCr量具刃具用钢，是常用的低合金工具钢，具有较高的淬透性和淬硬性，以及较高的回火稳定性，适合用做制作板牙的材料2 9SiCr钢的组织特点及其合金元素

9、对钢的作用2.19SiCr钢的组织特点：9SiCr钢为合金工具钢， 900加热温度下正火，得到珠光体组织；在800下进行退火处理得到珠光体组织；在850下进行淬火处理得到板条马氏体；淬火后的试件在150下进行回火处理，得到回火马氏体；在450下进行回火处理，得到回火屈氏体，为铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物;在550下进行回火处理，得到回火索氏体，为铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。2.2 9SiCr钢中合金元素对钢的作用：表1.1 9SiCr钢中合金元素含量表：钢牌号CSiMnCrSp9SiCr0.850.951.201.600.300.600.951.25小于0.030小于0.

10、030铬（Cr）：9SiCr中的Cr、Si元素提高淬透性，强化基体组织。另外Cr元素融入Fe3C中，提高钢的硬度和耐磨性。硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在钢中加入0.70%以上时，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接

11、性能。 磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。 3板牙热处理工艺规程 3.1退火钢的常用退火工艺的分类及应用类别 主要目的工艺特点 应用范围 扩散退火 成分均匀化 加热至Ac3十(150202)，长时间保温后缓慢冷却 铸钢件及具有成分偏析的锻轧件等完全退火 细化组织，降低硬度 加

12、热至Ac3十(3052)，保温后缓慢冷却铸、焊件及中碳钢和中碳合金钢锻轧件等不完全退火 细化组织，降低硬度 加热至Acl十(40一62)，保温后缓慢冷却 中、高碳钢和低合金钢锻轧件等(组织细化程度低于完全退火)等温退火 细化组织，降低硬度，防止产生白点 加热至Ac3十(3050)(亚共析钢)或Acl十(2042)(共析钢和过共析钢)，保持一定时问，随炉冷至稍低于Arl进行等温转变，然后空气冷却(简称空冷)中碳合金钢和某些高合金钢的重型铸锻件及冲压件等(组织与硬度比完全退火更为均匀)球化退火 碳化物球状化，降低硬度，提高塑性 加热至Acl十(20一40)或Acl一(20一32)，保温后等温冷却或

13、直接缓慢冷却 工模具及轴承钢件，结构钢冷挤压件等再结晶退火或中间退火 消除加工硬化加热至Acl一(50一152)，保温后空冷冷变形钢材和钢件去应力退火 消除内应力 加热至Acl一(100200)C，保温后空冷或炉冷至200一302，再出炉空冷 铸钢件、焊接件及锻轧件锻造后球化退火的目的主要是降低硬度，改善切削性能，为最终热处理作组织准备。工具钢原始组织为球状珠光体经淬火-回火后的力学性能和原始组织为片状珠光体相比，在强度、硬度相同情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。要注意的是球化退火前的组织要求是细片状珠光体，不允许有严重的网状碳化物，否则应在球化退火前安排正火处理。球化退

14、火组织按照国家有关评级，应在2-5级合格。3.2 淬火工艺3.2.11、 淬火加热温度 碳钢的淬火加热温度可利用Fe-Fe3C相图来选择。对于亚共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac3+3050，使碳钢完全奥氏体化，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。对于过共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac1+3050。淬火前先进行球化退火，使之得到粒状珠光体组织，淬火加热时组织为细小奥氏体晶粒和未溶的细粒状渗碳体，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布在马氏体基体上的细小粒状渗碳体组织。对于低合金钢，淬火加热温度也根据临界点Ac1或Ac3来确定，一般为Ac1或Ac3以上50100。高合金工具钢中含有较多的强碳化物形成元素，奥氏体晶

15、粒粗化温度高，故淬火温度亦高。2、淬火加热时间为了使工件各部分完成组织转变，需要在淬火加热时保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。 影响淬火加热时间的因素较多，如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、炉温、装炉方式及装炉量等。钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大，使工件的强度和韧性降低，易于产生脆断，而且容易引起淬火裂纹。对于过热工件，进行一次细化晶粒的退火或正火，然后再按工艺规程进行淬火，便可以纠正过

16、热组织。过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象，过烧的工件无法补救，只得报废。（3）淬火处理的常见问题Ms点随C%的增加而降低,淬火时，过冷奥氏体开始转变为马氏体的温度称之為Ms点，转变完成之温度称之为Mf点。C%含量愈高，Ms点温度愈降低。0.4%C碳钢的Ms温度约為350左右，而0.8%C碳钢就降低至约200左右。 （由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知，要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度。但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650400的温度范围内要快速冷却。而从淬火温度到6

17、50之间以及400以下，特别是300200以下并不希望快冷。因为淬火冷却中工件截面的内外温度差会引起热应力。另外，由于钢中的比容（单位质量物质的体积）不同，其中马氏体的比容最大，奥氏体的比容最小，因此，马氏体的转变将使工件的体积胀大，如冷却速度较大，工件截面上的内外温度差将增大，使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速度越大，热应力和相变应力越大，钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。等温淬火可使让应力和组织应力减至最小工具的变形，所以对板牙这类变形要求较高的工件，宜采用等温淬火工艺。 首先在600650预热，减少高温停留的时间，从而减轻板牙的脱C现象。淬火加热温度的确定，除了考虑控

18、制未溶碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、工具尺寸等因素。因为尺寸较大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的板牙采用较低的淬火加热温度，M10的圆板牙，采用850860。3.2.2 9sicr钢推荐的淬火规范 图 4 9sicr 合金钢试件不同介质中淬火时温差变化方案淬火温度冷却方式介质温度硬度820840油2040至油温空冷6365820840油90140至150200空冷6365830850熔融硝盐或碱15016035min空冷6264注：1、方案和用于形状复杂、要求变形小的工件； 2、直径和厚度大于50mm的工件，淬火温度可提高到850870。 在实际试验中采用方

19、案等温淬火后的金相组织为：马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物3.3低温回火工艺1）钢的回火 回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。回火决定了钢在使用状态的组织和性能。回火的目的是为了稳定组织，消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，满足各种工件不同的性能要求。 根据回火温度可将钢的回火分为三类。1、低温回火（150250） 低温回火后的组织为回火马氏体，它是由过饱和的相和与其共格的-Fe2.4C组成。其形态仍保留淬火马氏体的片状或板条状。 低温回火的主要目的是保持淬火马氏体的高硬度（5862HRC）和高耐磨性，降低淬火应力和脆性

20、。它主要用于各种高碳钢的刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承和渗碳工件。2、中温回火（350500） 中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性，回火托氏体的硬度为3545HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。3、高温回火(500650) 高温回火后的组织为回火索氏体，它是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成。由于铁素体发生了再结晶失去了原来淬火马氏体的片状或板条状形态，呈现为多边形颗粒状，同时渗碳体聚集长大。（2）回火常见问

21、题和解决技巧 部分钢材在约270至300左右进行回火处理时，会因残留沃斯田体的分解，而在结晶粒边界上析出碳化物，导致回火脆性。二次硬化工具钢当加热至500600之间时才会引起分解，在300并不会引起残留沃斯田体的分解，故无300脆化的现象產生。 回火產生之回火裂痕 以淬火之钢铁材料经回火处理时，因急冷、急热或组织变化之故而產生之裂痕，称之為回火裂痕。常见之高速钢、SKD11模具钢等回火硬化钢在高温回火后急冷也会產生。此类钢材在第一次淬火时產生第一次麻田散体变态，回火时因淬火產生第二次麻田散体变态（残留沃斯田体变态成麻田散体），而產生裂痕。因此要防止回火裂痕，最好是自回火温度作徐徐冷却，同时淬火

22、再回火的作业中，亦应避免提早提出回火再急冷的热处理方式。 回火產生之回火脆性 可分為300脆性及回火徐冷脆性两种。所谓300脆性係指部分钢材在约270至300左右进行回火处理时，会因残留沃斯田体的分解，而在结晶粒边界上析出碳化物，导致回火脆性。所谓回火徐冷脆性係指自回火温度（500600）徐冷时出现之脆性，Ni-Cr钢颇為显著。回火徐冷脆性，可自回火温度急冷加以防止，根据多种实验结果显示，机械构造用合金钢材，自回火温度施行空冷，以10/min以上的冷却速率，就不会產生回火徐冷脆性。 由于Si、Cr元素的作用，提高了钢的回火稳定性，因此可在190-200回火。在这温度下回火，硬度下降很少，回火后

23、硬度理论仍然有60-63HRC。经过回火后的金相组织为：回火马氏体+下贝氏体残余奥氏体+碳化物。大部分淬火应力已经消除。3.5根据材料性质以及相关参数制定工艺路线临界点AclAcmArl温度（近似值）/770870730工序为：热扎钢下料预先热处理球化退火粗加工淬火低温回火精加工精磨四:实验结果及分析4.1 原材料及设备实验材料为9SiCr钢试样。实验设备主要有热处理炉、洛氏硬度计、金相显微镜、抛光机、淬火用油槽、照相设备等。4.2 实验过程4.2.1退火工艺图： 空冷80034h等温球化退火工艺通常是先将材料加热至Ac1以上2030保温一定时间。然后降至Arl以下2030进行等温。保温一定时

24、间后随炉冷却到室温.Ac1=770，Ar1730,在等温温度的选取上，由于 太低的等温温度会影响碳在奥氏体中的扩散，对球 化效果造成不利影响的，在Ar1以下随着等温温度的降低，即使材料先前已经达到了球化转变所需的奥氏体化效果等温结束后 也会出现大量的片状珠光体。而且通过进行不同等温温度的试验，也证明了较高的等温温度是形成良好的球化组织的重要保证。因此 采取在800进行等温。对材料分别采用上述工艺进行处理，然后对材料进行显微组织分析，观察组织形态及分布情况，并 对各组工艺进行硬度测试。热处理中需要装罐保护，冷却过程中应先炉冷至500，然后空冷。4.2.2等温淬火工艺图：温度850870 1520

25、min 油冷 图1.2 850淬火工艺4.2.3低温回火工艺图：温度190200 2h 空冷4.3组织以及硬度分析4.3.1.800退火后的金相组织：图3.2 860加热退火合金的显微组分析：退火后组织细化，形成粒状马氏体。但由于打磨过程中剖光不到位，有一些点状杂质，影响组织观察。硬度:22HRC对于等温球化退火来说材料成分、原始组织、加热温度、保温时间和冷却速度等因素对材料的球化效果都有影响，其中加热温度对球化组织的影响很大它是决定最终球化效果的一个关键因素。如果加热温度太低碳化物在奥氏体中的固溶度会降低同时原组织中的片状珠光体也不能完全溶解ttl，达不到良好的奥氏体化效果最终所获得的球状组

26、织很少仍存在有大量未溶的片状珠光体。但如果加热温度过高，未溶的碳化物质点会减少，奥氏体中碳浓度分布趋于均匀t3，这就不利于球化转变过程的进行。因为在随后的等温过程中，存在有未溶碳化物质点的区域依然会发生组织的非自发形核长大，形成球状珠光体。而没有碳化物质点的区域，由于缺乏非自发形核中心。此处的奥氏体将按照正常的片状珠光体形成机制完成珠光体转变141，即最终形成的组织将会是球状与片状珠光体的混合物甚至全部都为片状珠光体。同时高温下晶粒会发生长大象这也会对组织性能产生不利影响。由于9SiCr的Ac=770。当采用AcI温度进行奥氏体加热保温时，这个加热温度显然过低最终处理结束的组织中球状珠光体很少

27、并存在有大量的片状珠光体这都是原始组织中残留下来的。当加热温度为790时，球化效果就非常好，组织分布很均匀。而当加热温度为810时，组织中又重新出现了片状珠光体，而且局部组织还聚集.4.3.2 850淬火后的金相组织：图3.3 850加热淬火合金的显微组织分析： 如图，可以观察到此淬火温度下形成针状马氏体组织，在针状马氏体之间白色的铁素体存在。针状马氏体的大小不一。同时有些马氏体有一条中脊线，并在马氏体周围有残留奥氏体。硬度:64.5 65 65 HRC4.3.3 150回火后的金相组织200加热回火合金的显微组织分析：低温回火得到回火马氏体组织。任然保留了原有马氏体的形态特征。针状马氏体回火

28、析出了极细的碳化物，容易受到侵蚀，在显微镜下呈黑色针状。低温回火后马氏体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈白亮色。低温回火后可以部分消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度。硬度分析.59 61 59.5HRC4.4板牙淬火后板牙的经验项目、内容和要求检验项目检验内容及要求原材料质量用试样检查 化学成分、低倍组织、晶粒度、淬透性、带状组织毛坯力学性能用试样检查、检查布氏硬度，按图样检查b、0.2、Ak毛坯质量检查表面氧化、裂纹及碰伤淬火深度用试样检查 按图样要求，从表面测到HV500深度处有效深度，显微检查淬火深度时，碳钢为过共析+共析+1/2过渡区;合金钢为过共析+共析层应占总深度的5

29、0%70%表面硬度心部硬度组织按图样要求，为5458HRC按图样要求,为3440 HRC心部组织 为板条马氏体+少量铁素体表面裂纹不许有裂纹，100%磁粉探伤，批量件5件可抽取4.5板牙热处理中常见的缺陷及措施缺陷名称产生原因防止措施毛坯硬度偏高正火温度偏低或保温时间不足使组织中残余少量硬度较偏高（HV250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度应从新制定正火工艺;检查控温仪表，校准温度，控制正火冷却温度毛坯硬度偏低正火冷却过缓重新正火带状偏析钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难以消除更换材料 5. w18cr4v氮化试样渗氮层厚度的测量5 总 结 课程设计是大学期间必不可少的一门课程，通过课程设计让我们得到了理论联系实际的切实体会，在课程设计中我们所学的课程知识得到了综合性的运用。我们这次课程设计的任务是板牙热处理工艺的设计低合金刃具钢，通过这次课程设计，加强了我们思考和解决问