38CrMoAl钢的热处理工艺.docx

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38CrMoAl钢的热处理工艺

一、程设计的任务与性质………………………………………….3

二、课程设计的目的……………………………………………….3

三、设计内容与基本要求………………………………………….3

四、设计步骤…………………………………………………………3

4、1方案确定……………………………………………………………………3

4、2热加工………………………………………………………………………6

4、3热处理工艺设计………………………………………………………………….7

五、实验设备………………………………………………………..16

六、参考文献……………………………………………………….16

一、程设计的任务与性质

《金属热处理原理与工艺》课程是一门重要的专业课程，金属材料热处理工艺设计级实验操作时一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，运用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于强化学生解决问题、分析问题的能力。

二、课程设计的目的

1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。

2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。

3、培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。

4、提高技术总结及编制技术的能力。

5、是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。

三、设计内容与基本要求

设计内容：

独立完成38CrMoAl钢的热处理工艺设计，包括工艺方法、路线、参数的确定，热处理设备及操作，金相组织分析，材料性能检测等。

基本要求：

1、课程设计必须独立进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。

2、合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。

3、正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。

4、正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。

5、课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图像清晰。

四、设计步骤

4、1方案确定

1、38CrMoAl高铝合金结构钢介绍

牌号：

38CrMoAl

38CrMoAl是合结钢的其中一种,国内执行标准GB/T3077-1999。

38CrMoAl是一种专用氮化钢,经过热处理和精加工后的38CrMoAl圆钢具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度,并具有良好的耐热性及腐蚀性。

处理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在920HV以上,预处理为调质（通常调质硬度要求≥260HB,如262~302HB）。

38CrMoAl氮化速度较快,可以得到较深的氮化层深度,但氮化层的脆性相对较大,淬透性不高,因而不太适合制作承受冲击很大的零件。

国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮。

38CrMoAl用途

　　38CrMoAl合结钢是一种耐海水腐蚀的专用钢材。

　　A、38CrMoAl合结钢材料，主要用来制作管道及设备。

具有很强的耐腐蚀性，安装也很方便等优点。

　　B、能耐腐蚀的原因：

（1）38CrMoAl合结钢材料中的Al（铝），能与空气中的O（氧）化学反应生成Al2O3（三氧化二铝）.从而行成保护膜，既防腐又耐腐。

（2）38CrMoAl合结钢中的Cr（铬），Mo（钼），离子在海水中能自动补充Cl（氯）离子对钢材点腐蚀形成的空隙，形成致密保护层，阻止点腐蚀向纵深发展。

进而起到耐腐，使使用寿命加长。

　　C、焊接

　　38CrMoAl无缝钢管材料焊接性能较好，配有专用耐腐焊条“海O3”，无特殊焊接要求。

　　D、应用举例

　　38CrMoAl无缝钢管材料，是沿海电厂，沿海油田，沿海天然气及石化厂输送水，油气及含海水介质的最理想的管路及加工件制作材料。

38CrMoAl是专用氮化钢,一般仅用于需要表面高度耐磨经氮化处理的零件,通常氮化后的表面硬度在920HV以上,预处理为调质（通常调质硬度要求≥260HB,如262~302HB）。

38CrMoAl氮化速度较快，可以得到较深的氮化层深度，但氮化层的脆性相对较大，因而不太适合制做曾受冲击很大的零件。

国外通常不推荐含铝氮化钢用于重要的重载齿轮（建议采用Cr-Mo-V等类氮化钢）。

2、化学成分

　　碳C：

0.35～0.42硅Si：

0.20～0.45

　　锰Mn：

0.30～0.60硫S：

允许残余含量≤0.035

　　磷P：

允许残余含量≤0.035铬Cr：

1.35～1.65

　　铝Al：

0.70～1.10镍Ni：

允许残余含量≤0.030

　　铜Cu：

允许残余含量≤0.030　钼Mo：

0.15～0.25

3、力学性能：

　　抗拉强度σb（MPa）：

≥980（100）

　　屈服强度σs（MPa）：

≥835（85）

　　伸长率δ5（%）：

≥14

　　断面收缩率ψ（%）：

≥50

　　冲击功Akv（J）：

≥71

　　冲击韧性值αkv（J/cm2）：

≥88（9）

　　硬度：

≤229HB

4、物理性能

1、临界点

临界点

Ac1

Ac3

Ar1

Ar3

Ms

温度（近似值）℃

760

885

675

740

360

5、锻造工艺

加热温度℃

开锻温度℃

终锻温度℃

冷却方式

1180～1200

1050～1100

≥850

缓冷

6、热处理工艺

项目

退火

正火

淬火

回火

温度℃

840～870

930～970

940

150～200

300～400

500～550

600～650

冷却

炉冷

空冷

油

水或油

水或油

水或油

水或油

硬度HRC

≤229HB

——

＞56

56～51

51～45

39～35

31～28

4、2热加工

试验导轨型号有两种，即LG25型，外形尺寸23mm22.5mm760mm；LG30型，外形尺寸28mm27.5mm760mm。

导轨如图1所示，其中无括号数字为LG25型尺寸，括号内数字为LG30型尺寸。

离子氮化导轨用材为38CrMoAlA钢，毛坯为热轧棒材，直径分别为40mm和50mm，经切削加工成形。

导轨氮化的技术条件：

表面硬度≥650HV，氮化层深度≥0.4mm，脆性≥2级，变形量的检验方法和允差见图2、图3和附表。

热处理规范：

淬火940℃,油冷;回火640℃,油冷。

硬度26~30HRC用压力机校直后去应力退火：

550℃6小时，加工至成品尺寸。

渗氮处理：

第一阶段，510到520摄氏度，氨分解率18到25%，20个小时，

第二阶段，550到560摄氏度，氨分解率40到60%，30个小时，退氮2小时，560到570摄氏度，退氮大于80%，低于200摄氏度出炉。

4、3热处理工艺设计

热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

热处理的三个阶段：

加热、保温和冷却。

五个要素：

加热介质、加热速率、加热温度、保温时间和冷却速率（如下图所示）。

时间（h）

温度（℃）

加热

v加

保温t加

冷却V冷

τ保

1、预先热处理

毛坯选用两种预先热处理工艺，即退火和调质。

退火工艺：

870℃保温2h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

硬度≤229HBW。

调质：

930～940℃保温1.5h，油冷淬火；随后680℃回火3h，空冷。

硬度25～28HRC。

经预先热处理的毛坯，在粗加工工序后，进行第一次去应力退火。

在精加工工序完成后，再进行第二次去应力退火。

去应力退火工艺（两次退火工艺均相同）：

温度650℃保温2h，炉冷至250℃以下出炉。

2、毛坯离子氮化试验结果及其分析

（1）离子氮化工艺规范供毛坯氮化用的设备为额定输出直流电流为30A的立式离子氮化炉。

氮化温度和时间分别为：

530℃/8h、550℃/15h、550℃/22h和560℃/10h。

（2）氮化层的组织、表面硬度及硬度梯形38CrMoAlA钢经530℃/8h离子氮化后，渗层组织由表及里依次为→+′→+′→心部组织。

其特征是：

最表层厚度0.02～0.03mm白亮色化合物层，即相。

紧靠白亮色化合物层的次表层，出现脉状组织，厚度0.01～0.15mm，相成分为+′。

往后是扩散层，相成分是+′。

再往里是心部组织。

在金相分析中还可以看到，氮化前的金相组织和氮化工艺参数对氮化后脉状组织的含量有较大影响。

退火组织在氮化过程中形成脉状组织的倾向比调质组织大得多，而且氮化温度越高，氮化时间越长，均促进脉状组织的形成。

经不同预先热处理的38CrMoAlA钢于540～560℃离子氮化22h，硬度沿氮化层的分布如图4所示。

由图4可以看到，经上述工艺处理后，氮化层深度保持在0.50mm以上。

氮化层的硬度梯度与预先热处理有关。

在相同的离子氮化工艺条件下，退火状态导轨约0.2mm的外表层硬度比调质状态高，离表面0.1mm处，退火状态的硬度高于800HV100，而调质状态此处的硬度仅保持650HV100；离表面0.15mm处，退火状态的硬度仍然高于700HV100，但调质状态此处的硬度已低于600HV100。

预先热处理对变形的影响分别经退火和调质预先热处理的LG25型导轨，在相同的工艺参数下（550℃/15h）进行离子氮化。

结果发现，不管是退火还是调质的导轨，对氮化导轨B面的变形没有多大的影响，弯曲量维持在0.050～0.060mm范围内，但对A面的变形影响很大，退火导轨氮化后A面的相对最大弯曲量已达到0.4mm，而调质导轨的弯曲量更大，竟达1.8～1.9mm。

预先热处理对变形的影响如此明显，与预先热处理组织的稳定性有关。

退火组织接近于平衡组织，在氮化过程中基体组织处于较稳定状态，故氮化后导轨的变形较小。

调质导轨则不同，它的基体组织回火索氏体处于亚稳状态。

虽然氮化温度低于调质时的回火温度，也低于去应力退火的温度，但在氮化长时间的保温过程中，碳原子获得能量进行扩散聚集，力图向平衡状态过渡。

这一过程对导轨应力状态的改变显然比退火强烈得多，因此，调质导轨氮化的变形比退火导轨大是预料之中的情况。

38CrMoAl（热轧后退火）的金相图

图1（200×）图2（100×）

工艺情况：

热轧后退火

浸蚀方法：

图1：

未浸蚀；图2：

4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：

图1：

由表面向内45度方向发展裂纹，开口宽、尾细、缝内有氧化物。

图2：

同一试样浸蚀后可见裂纹两侧严重脱碳-为铁素体组织，基体组织为珠光体和铁素体。

此种裂纹为锻造折迭，在随后热处理过程中会扩展，两侧会氧化脱碳。

2、38CrMoAl的正火

正火温度38CrMoAl：

930~970℃细珠光体+块状铁素体+少量索氏体。

出现异常组织与冷速有关

38CrMoAl正火照片

珠光体+铁素体。

工艺情况：

锻造后正火处理

浸蚀方法：

4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：

粒状贝氏体、黑色块状区域的珠光体以及白色小块状铁素体。

晶粒度约为5～6级。

38CrMoAlA是一种渗氮用钢。

渗氮层的综合性能，尤其脆性与原始组织的晶粒大小密切相关。

因此，渗氮前一般均采用正火工艺细化晶粒，再调质处理。

由于该试样锻造组织偏析明显，各区域的成分偏差致使各区域临界点不同，加热及冷却过程中必然发生不同的组织转变。

3、38CrMoAl淬火、回火

38CrMoAl（渗碳后淬火、回火）金相图

图1（400×）

工艺情况：

渗碳后淬火、回火处理

浸蚀方法：

4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：

齿顶处渗碳层组织形貌，粗针状马氏体（6级），残余奥氏体（5级），以及少量小块状碳化物（1级）。

表面硬度：

713～754HV1，（相当于61.0HRC）。

心部硬度：

490～511HV1。

有效硬化层深度DC9.802/600=0.46mm。

本试样为过热组织，作为齿轮，抗疲劳性能较差。

4、38CrMoAl的渗氮

渗氮前的处理

　　在渗氮零件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序，至多再进行精磨或研磨。

渗氮零件的工艺流程一般为：

锻造→正火（退火）→粗加工→调质→精加工→去应力→精磨→渗氮→精磨→装配。

　　氮化前的预热处理包括正火（退火）、调质处理、去应力。

　　a．正火（退火），其目的是细化晶粒、降低硬度、消除锻造应力。

　　b．调质处理，可以改善钢的加工性能，获得均匀的回火索氏体组织，以保证零件心部有足够的强度和韧性，同时又能使渗氮层和基本结合牢固。

　　c．去应力处理，对于形状复杂的精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中的变形。

渗氮前的生产准备

　　a．去污处理。

零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污处理，零件表面不允许有锈蚀及脏污。

　　b．防渗处理。

对零件非渗氮部分，可用电镀或涂料法进行防渗氮处理。

　　c．渗氮件的表面质量应良好，不允许有脱碳层存在，因此，零件在预先热处理前应留有足够的加工余量，以便在渗氮前的机加工能将脱碳层全部去除，以保证渗氮层的质量。

　　d．装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用；渗氮夹具不允许有赃物或氧化皮，如有应清除。

　　e．随炉试样。

随炉的试样应与渗氮零件通材料并经过同样的预先处理。

（1）氮化温度 一般为500℃～600℃。

氮化时间长，一般为20h～50h，

38CrMoAl钢氮化工艺曲线图

（2）氮化前零件须经调质处理 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织,保证较高的强度和韧性。

对于形状复杂或精度要求高的零件，在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火，以减少氮化时的变形。

2.组织和性能：

（1）钢件氮化后具有很高的硬度（1000HV～1100HV）,且在600℃～650℃下保持不下降,所以具有很高的耐磨性和热硬性。

氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ′相的氮化物薄层，很脆。

常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。

 Fe-N相图

38CrMoAl钢氮化层的显微组织400倍

（2）钢氮化后,渗层体积增大,造成表面压应力,使疲劳强度大大提高。

   （3）氮化温度低,零件变形小。

   （4）氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层,所以耐蚀性好,在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。

38CrMoAl（调质后气体渗氮）金相图

图1（100×）图2（550×）

图3（550×）图4（125×）

工艺情况：

调质后气体渗氮

浸蚀方法：

4%硝酸酒精溶液浸蚀

组织说明：

活塞杆使用中发生疲劳失效。

图1：

疲劳源附近组织形貌，组织已发生相变，图中可见到有三个层次，最表面含氮量较高，已转变为马氏体和氮化物，并伴有细小沿晶的次生裂纹。

次表层含氮量相对较低，成为白亮含氮马氏体，再向内为近氮化层的心部组织，呈浅淡色的马氏体。

图2为氮化层高倍下形貌，含氮马氏体和颗粒状氮化物，黑色为晶界区域。

图3是图1中浅淡色马氏体经深浸蚀后显现出的针状马氏体。

心部为回火索氏体。

由于磨擦过热造成相变及裂纹（龟裂），该裂纹在服役中成为疲劳损伤的源区。

图4最表面为白亮层￡相化合物层，次表层深色区域为含氮索氏体，其上分布有严重的白色脉状氮化物，其形态评为4～5级（1～3级正常）。

心部组织为回火索氏体，有枝晶偏析残余（条纹状黑影）。

金相法测得渗氮层深度约为0.45mm。

近表面硬度为990～1027HV0.3；

心部硬度为303～308HV0.3。

硬度法测得渗氮层深度为0.45mm（表不方法：

0.45DN355HV0.3），与金相法相同。

扩散层中脉状氮化物的评定应在放大500倍下对照GB/T11354-1989《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》标准中的图片进行。

本图片放大倍率低，故不易分辨。

五、实验设备：

1、箱式电阻炉和控温仪表

2、洛氏硬度计

3、表面维氏硬度计

4、金相显微镜

5、淬火水槽、油槽

6、抛光机

7、回火电炉

8、水银温度计

9、钳子和铁丝

10、标准试样

11、38CrMoAl钢的金相图册

六、参考文献：

[1]樊东黎，王广生等．热处理手册[M]．北京：

机械工业

出版社。

2001．

[2]吴元徽．国家职业资格培训教材热处理工（高级）[M]．北京：

机械工业出版社，2006．

[3]周上祺，范秋林，任勤，等．快速深层渗氮工艺的设计．金属热处理，1998，23（3）：

2

[4]安正昆.热处理工艺学[M]机械工业出版社,1986

[5]单东黎.热处理工程师手册[M]中国机械工程学会热处理专业学会,1999

⑹戴起勋《金属材料学》

[7]2009年第23期热处理/锻压/铸造热加工