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按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢:

按钢的含碳量可分为低碳钢(含碳量≤0.25%),如20号钢,表示平均含碳量为0.20%的钢;

中碳钢(0.30~0.55%C),如45号钢,表示平均含碳量为0.45%的钢和高碳钢(≥0.60%C),如T12,表示平均含碳量为1.20%的钢等。

合金钢:

按合金元素含量又可分为低合金钢(合金元素总含量≤5%);

中合金钢(合金元素总含量=5~10%);

高合金钢(合金元素总含量>10%)。

⑶按质量分类

按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢(磷、硫含量均≤0.050%);

优质钢(磷、硫含量均≤0.040%);

高级优质钢(磷含量≤0.035%,硫含量≤0.035%)。

钢的命名,常常将用途、成分和质量结合起来。

如将钢称为优质碳素结构钢(如20和45)、碳素工具钢(如T12)、高级优质碳素工具钢(如T12A)、合金结构钢(如40Cr和20CrMnTi)、合金工具钢(如9SiCr和高速钢W18Cr4V)等。

另外,对应变形钢,还有铸钢,如我公司常用的一般工程用碳素铸钢ZG310-570(旧牌号ZG45),合金铸钢ZG40Cr和ZG35CrMo等。

二、铁-渗碳体相图

Fe和Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。

1,基本概念

铁素体:

以F表示。

组成:

碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。

铁素体是铁碳合金基本相之一。

性能:

具有良好的塑性和韧性。

奥氏体:

以A表示。

碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。

奥氏体是铁碳合金基本相之一。

硬度较低而塑性较高,易于锻压成型。

渗碳体:

以Fe3C表示。

具有复杂结构的间隙化合物。

渗碳体是铁碳合金基本相之一。

硬度很高,而塑性和韧性几乎为零,脆性极大。

珠光体:

以P表示。

铁素体(F)+渗碳体(Fe3C)。

介于铁素体和渗碳体之间。

高温莱氏体:

以Ld表示。

奥氏体(A)+渗碳体(Fe3C)。

低温莱氏体:

以Ld’表示。

珠光体(P)+渗碳体(Fe3C)。

贝氏体:

以B表示。

含碳过饱和的铁素体(F)+渗碳体(Fe3C)。

具有较高的强度、硬度、塑性与韧性相配合的综合机械性能。

马氏体:

以M表示。

碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体。

硬度和强度高。

2.铁-渗碳体相图分析

铁-渗碳体相图中各点、线含义

A点:

温度1538℃,C%=0,纯铁的熔点

C点:

温度1148℃,C%=4.3,共晶点

D点:

温度1227℃,C%=6.69,渗碳体的熔点

E点:

温度1148℃,C%=2.11,碳在奥氏体中的最大溶解度

F点:

温度1148℃,C%=6.69,渗碳体的成分

G点:

温度912℃,C%=0,α-Fe和γ-Fe转变点

K点:

温度727℃,C%=6.69,渗碳体的成分

P点:

温度727℃,C%=0.0218,碳在铁素体中的最大溶解度

S点:

温度727℃,C%=0.77,共析点

Q点:

温度600℃,C%=0.0057,碳在铁素体中的溶解度

AC线:

液相线,液态金属开始结晶出奥氏体

CD线:

液相线,液态金属开始结晶出渗碳体

AE线:

固相线,奥氏体的结晶终了线

ECF线:

固相线,液态金属开始结晶出高温莱氏体的转变线(称为共晶线)

GS线:

奥氏体转变为铁素体的开始线,又称A3线,线上的点为A3点

GP线:

奥氏体转变为铁素体的终了线

ES线:

碳在奥氏体中溶解度线,又称Acm线,线上的点为Acm点

PQ线:

碳在铁素体中溶解度线

PSK线:

奥氏体开始析出珠光体的转变线(称为共析线),又称A1线,线上的点为A1点

三、钢的热处理

1.热处理的定义和分类

钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却,以改变其组织,从而获得所需性能的一种工艺。

根据加热和冷却方法的不同,热处理方法大致可分为普通热处理和表面热处理。

普通热处理又可分为退火、正火、淬火和回火。

表面热处理又可分为表面淬火(包括感应加热淬火和火焰加热淬火)和化学热处理(包括渗碳、氮化、碳氮共渗等)。

2.钢在加热时的组织转变

3.钢在冷却时的组织转变

4.钢的退火和正火

㈠退火或正火的目的:

⑴降低钢件硬度,以利于随后的切削加工。

⑵消除残余应力,以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。

⑶细化晶粒,改善组织,以提高钢的机械性能。

⑷.最终热处理(淬火、回火)作好组织上的准备。

㈡退火

完全退火:

将钢加热到临界点Ac3以上,保温一定时间,随炉缓慢冷却到600℃以下,再出炉在空气中冷却。

它主要用于铸钢件和锻钢件,退火时间较长。

等温退火:

将钢加热到临界点Ac3以上,保温一定时间,再以较快速度冷却到临界点Ar1以下,等温一定时间,然后出炉在空气中冷却。

它可缩短退火时间,代替完全退火;

还可作为渗碳钢零件淬火前的预先热处理,以消除渗碳件的表面网状碳化物,防止出现磨削裂纹。

去应力退火:

又称低温退火,将工件缓慢加热到临界温度Ac1以下,保温一定时间(3min/mm),然后随炉缓慢冷却(≤100℃/h)至200℃再出炉冷却。

它主要用于消除焊接件、冷冲压件和机加工件中的残余应力,防止工件的变形和开裂。

㈢正火

正火就是将钢加热到临界点(Ac3、Acm)以上,保温一定时间(1min/mm),然后在空气中冷却。

正火主要用与以下几个方面:

1.作为普通结构零件的最终热处理。

2.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性(提高硬度)。

3.作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。

4.消除高碳钢中的网状二次渗碳体,可作为渗碳钢零件淬火前的预先热处理。

5.对一些大型的或形状较复杂的零件,淬火可能有开裂危险时,正火也往往代替淬火、回火处理,而作为这类零件的最终热处理。

5.钢的淬火

㈠淬火的定义:

将钢加热到临界点以上,保温一定时间,然后在水中或盐水或油中(一般常用钢)快速冷却的热处理工艺,称为淬火。

淬火的目的是为了获得马氏体组织。

㈡常用淬火方法:

⑴单液淬火法

把加热的工件投入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火,称为单液淬火法。

例如,45钢在水或盐水溶液中淬火,40Cr在油中淬火等均属单液淬火法。

单液淬火示意如下:

⑵双液淬火法

先把加热的工件投入一种冷却能力较强的介质中冷却到稍高于Ms点温度(即马氏体转变温度),短暂停留后,再立即转入另一种冷却能力较弱的介质中,以获得马氏体组织的淬火,称为双液淬火法。

例如,20CrMnTi十字轴渗碳后先水淬后油淬就属双液淬火。

双液淬火示意如下:

⑶局部淬火法

工件如果只是局部要求高硬度,可对工件全部加热或局部加热后进行局部淬火。

上海泓阳螺杆头球部的淬火属于局部淬火。

6.钢的回火

㈠回火的定义:

将淬火钢重新加热到临界点A1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺,称为回火。

它是紧接淬火的一道热处理工序。

钢在淬火后一般都要进行回火处理。

㈡回火的目的:

⑴获得工件所需的组织,以改善性能。

⑵稳定工件尺寸。

⑶消除淬火内应力。

㈢回火的种类和应用:

按回火温度范围,可将回火分为:

⑴低温回火(150℃~250℃)

低温回火组织为回火马氏体。

目的是在保持钢的硬度的同时,降低其淬火内应力和脆性。

回火后的硬度一般为HRC58-64。

例如,我公司零件十字轴和轴承套(渗碳钢20CrMnTi)的回火处理即为低温回火。

⑵中温回火(350℃~500℃)

中温回火组织为回火屈氏体。

目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。

回火后的硬度一般为HRC58-62。

例如弹簧钢65Mn的回火处理。

⑵高温回火(500℃~650℃)

高温回火组织为回火索氏体。

目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合机械性能。

回火后的硬度一般为HB200-330。

习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。

例如,我公司零件叉头(ZG35CrMo)和花键轴及花键套(40Cr)的回火即属于高温回火,图纸技术要求栏注明为调质处理,硬度为HB255-286。

㈣回火脆性:

⑴第一类回火脆性(低温回火脆性):

钢的回火一般不在250℃~350℃温度范围内进行回火,因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性,即钢的冲击韧性不仅没有提高,反而显著降低。

⑵第二类回火脆性(高温回火脆性):

合金钢不仅有第一类回火脆性,而且有第二类回火脆性,即合金钢在450℃~650℃温度范围内回火后缓冷,会出现脆性。

减轻或消除第二类回火脆性的方法有:

①提高钢的纯度,减少杂质元素的含量;

②小截面工件在脆化温度回火后可采用快冷(油冷或水冷);

③大截面工件则采用含有钨(≈1%)钼(≈0.5%)的合金钢,即使在回火后缓冷也不产生脆性。

7.钢的淬透性

㈠淬透性的意义

钢的淬透性表示钢在淬火时所能获得淬硬层深度的一种性质。

形状和尺寸相同的不同钢种在同样条件下淬火,淬透性好的钢淬硬层较深,淬透性差的钢淬硬层较浅。

一般规定:

由工件表面向里得到半马氏体组织(即组织由50%马氏体和50%非马氏体组织)的距离作为淬硬层深度(也称为淬透层深度)。

实际工作中,由于半马氏体硬度与钢的含碳量有关系,因此可用测量硬度的方法来确定淬硬层深度。

㈡淬透性与钢的机械性能的关系

淬透性对钢的机械性能的影响很大。

例如用淬透性不同的两种钢材制成直径相同的轴,进行调质处理,其中一种钢材的淬透性好,使轴的整个截面都能淬透,另一种钢材的淬透性较差,使轴未能淬透。

其机械性能比较如图所示。

由图可见,二者硬度虽然相同,但机械性能却有明显差别,尤其冲击韧性差别较大。

8.钢的表面淬火

钢的表面淬火是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理方法。

它是通过快速加热使钢表层奥氏体化,而不等热量传至中心,立即予以淬火冷却,其结果是表层获得硬而耐磨的马氏体组织,而心部仍保持着原有塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。

根据加热方法的不同,表面淬火方法较多,目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火,其次是火焰加热表面淬火。

㈠感应加热的分类和特点

在生产中,根据表面淬火淬硬层深度的要求,感应加热一般分为:

1.高频感应加热:

常用频率200-300KHz,淬硬层深度0.5~2mm。

2.中频感应加热:

常用频率为2500Hz和8000Hz,淬硬层深度2~8mm。

3.工频感应加热:

采用工业频率50Hz,淬硬层深度可达10~15mm以上。

感应加热的特点:

1.感应加热速度极快,表面淬火温度比普通加热淬火高几十度。

2.感应加热时间很短,工件表层硬度较普通淬火时硬度高2-3HRC,且具有较低的脆性和较高的疲劳极限。

3.由于工件表层存在残余压应力,也提高了疲劳极限。

4.工件表面不易氧化和脱碳,耐磨性好,而且工件变形也小。

5.生产率高,适于大批量生产。

目前适用于万向轴产品的有花键轴高频淬火,国外大型十字轴中频感应

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