钢亚温淬火工艺对组织性能的影响.docx

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钢亚温淬火工艺对组织性能的影响

金属材料及热处理技术+材料成型与控制技术专业-加热-45钢亚温淬火工艺对组织性能的影响-范肖萌、周宜阳、王晓丽

案例名称

45钢亚温淬火工艺对组织性能的影响

案例说明

本案例适合中职、高职、职业本科等院校金属材料与热处理专业，在金属材料与热处理、材料成型与控制或相似的综合性课程教学中使用，更适合在热处理工、轧钢工等工种的职工培训中使用。

案例背景

采用正交组合回归设计试验方法研究了亚温淬火条件下,淬火温度和回火温度对45钢强度及硬度的影响规律,并分析了该钢亚温淬火后的组织与性能。

案例所涉及的知识点

热处理工艺——钢种性能影响、热处理工艺路线；

热处理工艺对钢种性能影响。

案例所涉及的技能点

热处理工艺的制定

案例工作任务的分解

工艺路线选择，热处理工艺制度选择及工艺参数制定。

教学目标

（1）了解45钢的化学成分；

（2）掌握45钢亚温淬火工艺对组织性能产生的影响；

（3）学习综合考虑钢种质量保证的措施，选择45钢淬火工艺路线。

（4）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。

案例建议的教学时间

6~8学时

案例的操作演示

现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。

（视频、图片等）

案例点评

案例教学可实现现场案例与所学理论知识的有机结合，将书本知识转化为现实工作能力，培养了学生的分析问题、解决问题的能力。

本案例可迁移为其他品种钢热处理教学，学生通过本案例学习，具有其他品种钢热处理的能力

45钢亚温淬火工艺对组织性能的影响

1.背景介绍

冶金技术的重要组成因素在当前推进冶金起源的研究，必须要解决几个问题。

采用正交组合回归设计试验方法研究了亚温淬火条件下,淬火温度和回火温度对45钢强度及硬度的影响规律,并分析了该钢亚温淬火后的组织与性能。

结果表明,在740～800℃范围内,随淬火温度升高,45钢的强度及硬度升高,淬火组织中铁素体量逐步减少,其分布形态也发生明显变化,800℃淬火后的力学性能接近于常规的840℃淬火。

在试验的基础上,提出了45钢活塞（780±10）℃淬火+（550±10）℃回火的调质处理新工艺。

45号钢为优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工,模具中常用来做45号钢管模板,梢子,导柱等,但须热处理.45号钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。

实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。

45号钢经调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

但表面硬度较低，不耐磨。

可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。

2.主要内容

2.1背景知识

2.1.145钢亚温淬火工艺概述

图145钢制造的煤矿用DZ型液压支柱的活塞

图1为45钢制造的煤矿用DZ型液压支柱的活塞,产品技术要求调质后硬度为240～270HBS,热处理是在箱式电炉中加热温度840℃,保温1h后水淬,580℃回火。

实际生产中产品淬火开裂率高，图1DZ型液压支柱活塞示意图达15%～20%。

本文采用正交组合回归设计试验方法,研究了亚温淬火条件下,淬火温度和回火温度对45钢强度及硬度的影响规律,分析了该钢亚温淬火后的组织与性能,提出了45钢亚温淬火新工艺。

与传统的调质工艺相比,新工艺降低了淬火温度和回火温度,有效避免了淬火开裂,同时,保证了工件的使用性能。

随淬火温度的升高（760～840℃），45钢的强度、硬度、韧性先升后降，在810℃时力学性能最好，超过810℃后强度、硬度逐渐下降。

亚温淬火的强韧化效果在450℃以上回火时才能发挥显著。

在试验条件给定的工艺中，以810℃淬火+50℃回火可获得比较好的强韧性。

45钢强韧性的提高主要是由于残留未溶的铁素体使奥氏体晶粒长大受阻，导致基体组织为细小的板条马氏体组织，相应其力学性能得到改善

2.245钢亚温淬火工艺对组织性能的影响研究

2.2.145钢亚温淬火技术的试验材料和方法

试验用45钢的主要化学成分（质量分数,%）为0.47C、0.31Si、0.67Mn、0.030S、0.031P、余量Fe,供货为热轧态。

淬火温度和回火温度的试验水平如下表。

淬火温度和回火温度的试验水平表

淬火加热保温20min、水冷;回火保温40min、空冷。

试验采用拉伸试样和硬度试块。

拉伸试样为d0=10mm、L0=5d0的短试样,硬度试块的尺寸为20mm×25mm。

各试样的热处理工艺如下表。

各试样的热处理工艺表

采用正交组合回归设计试验方法,将回归分析与正交设计有机结合起来。

试验结果经数据处理后,得出淬火温度和回火温度对45钢强度.硬度的影响规律,并建立数学模型。

对试验结果进行显著性检验:

一是方差检验,检验各因素影响的显著性,评价试验结果的可靠性;二是回归方程的显著性检验,评价数学模型的可信度。

2.345钢在淬火工艺中的组织变化

2.3.1试验结果

每个温度点分别处理拉伸试样和硬度试样各3个,测试性能后取其平均值作为试验结果。

2.3.2数据处理

经数据处理,得出如下回归方程:

硬度方程:

硬度（HBS）=327.8–32.67x1+71.17x2+1.11x12–21.72x22–18.75x1x2

45钢不同温度淬火后的强度（a）和硬度（b）的变化曲线

抗拉强度方程:

σb（MPa）=865.14–65.62X1+245.93X2+13171X12–190.2X22–34.93X1X2。

式中:

X1∈[-1,+1];X2∈[-1,+1]

对上述试验进行方差检验。

因子X1、X2分别在α=0.001和α=0.05水平显著,该试验数据是可靠的。

对上述回归方程进行显著性检验,两方程分别在α=0.005和α=0.025水平显著,证明方程是可信的。

2.3.345钢亚温淬火后的组织及分析

淬火加热温度与铁素体含量及分布形态

45钢的大多数热处理硬化方法是基于产生高比例的马氏体。

因此，第一步用的似乎大多数其他热处理常用的方法——产生奥氏体。

亚共析钢加热到Ac1线温度以上大约，进行保温，使温度均布，奥氏体均匀。

过共析钢Ac1线温度以上大约时保温，钢中仍残留部分铁碳化合物。

第二步是快速冷却，力图避免在等温曲线鼻部产生珠光体转变。

冷却速度取决于温度和淬火时淬火介质从钢表面带走热量的能力以及钢本身传热的能力。

高的温度梯度产生高应力，会引起变形和开裂，所以淬火只有在非常需要产生特定结构时才使用。

淬火时必须小心，使热量均匀扩散以减少热应力。

比如，一根细长棒需端部淬火，即将它垂直插进冷却介质中，这样整个截面同时产生温度变化。

如果这种形状的工件的某一边比另一边早降温，尺寸变化很可能引起很高的应力，产生塑性流动和永久变形。

用几种特殊的淬火方法可减小淬火应力，减小变形开裂倾向。

一中称为分级淬火，其方法是：

将奥氏体钢放入温度高于马氏体转变起始温度（Ms）的盐浴中，放置一定的时间直到温度均匀，在开始形成贝氏体之前取出，然后放在空气中冷却，产生与从高温开始淬火时同样硬的马氏体，而导致开裂和翘曲的高的热应力或淬火应力已经被消除。

在略高一点温度下的类似方法称为等温淬火，这时，将（奥氏体）钢放在盐浴中，保持很长时间，等温处理的结果是形成贝氏体。

贝氏体结构不如在同样成分时形成的马氏体硬，但除了减少钢在正常淬火时受到的热冲击外，不必要进一步处理，就可获得在高硬度时好的冲击韧性。

图345钢淬火回火后的金相组织图

（a）740℃淬火,450℃回火（b）800℃淬火,450℃回火

（c）740℃淬火,500℃回火（d）770℃淬火,500℃回火

图3为45钢淬火回火后的金相组织照片。

试验过程中发现,在740～800℃范围内,随淬火温度升高,淬火组织中铁素体含量逐步减少,马氏体量增加,740℃淬火组织中有较多的铁素体,因此钢的强、硬度较低;当淬火温度达到800℃后,组织中的铁素体已经很少,仅有2%～5%,其余全部为马氏体组织。

组织分析表明,淬火温度不同,淬火组织中的铁素体不仅含量发生变化,其分布形态也发生较大的改变。

740℃淬火,铁素体的形态以块状为主。

随淬火温度升高,块状铁素体减少。

770℃淬火,铁素体的形态为网状分布于奥氏体晶界。

800℃淬火,块状和网状铁素体基本消失,少量铁素体孤立分布于马氏体组织中。

2.3.445钢淬火加热温度与钢的强度和硬度的关系

由图2所示的45钢经740～800℃淬火后其强度和硬度的结果可知,随淬火温度提高,钢的强度和硬度增加,其原因是组织中铁素体逐步减少,马氏体含量增加。

低于770℃,淬火温度对其强度和硬度的影响显著;高于770℃,其影响减弱。

800℃淬火后组织中虽有极少量的铁素体,但由于晶粒细化,仍达到较高的强、硬度,力学性能接近于常规的840℃淬火。

经不同温度回火,45钢强度和硬度随淬火温度变化的规律基本相同。

回火温度越高,钢的强、硬度越低,这与马氏体组织的分解程度有关。

2.3.545钢活塞亚温淬火工艺的确定

在反复试验的基础上,确定45钢活塞的亚温淬火温度为（780±10）℃,为了不降低工件的力学性能,把回火温度相应降低到（550±10）℃。

新的调质处理工艺处理活塞时,淬火和回火保温时间适当的延长,以确保工件热透。

经新旧工艺调质处理后的45钢的力学性能可以看出,两种工艺处理后钢的力学性能很接近,新工艺可以满足活塞对材质的要求。

亚温淬火工艺的优点是在保证材料强、硬度的同时,使塑性和韧性得到改善,而且淬火畸变明显减少。

几年来,采用新工艺处理活塞10万件以上,没有发生淬裂现象,经检测,质量全部符合要求,使用效果良好。

3.分析路径

该案例是金属材料与热处理专业中的热处理生产案例，本生产案例体现了金属材料热处理、材料成型与控制知识点和岗位技能，与金属材料热处理专业课程的教学目标相对应。

根据国家职业标准关于热处理工种要求，对应教学目标，从此生产案例归纳提炼出所包含的知识和技能点，弱化与教学目标无关的内容，使之与课程学习目标、学习内容一致，成为一个承载了教学目标所要求知识和技能的教学案例。

采用视频、图片、实物展示等手段，引导学生通过自学、讲授、讨论、对比等方式学习知识，掌握较系统全面的淬火工艺对组织性能的影响的基本理论和技术技能，达到教学目标要求。

4.教学目标

（1）了解45钢的化学成分；

（2）掌握45钢亚温淬火工艺对组织性能产生的影响；

（3）学习综合考虑钢种质量保证的措施，选择45钢淬火工艺路线。

（4）全面复习所学知识，并将知识转化为能力。

5.教学方式方法

现场调研、问题讨论、点评、案例分析、讲授、课堂练习、大作业。

具体教学过程设计如下：

5.1.课前计划

（1）学生掌握知识：

45钢组织、淬火知识、45钢淬火对组织性能的影响；

（2）学生分组，指定组长；

（3）与现场联系，进行现场教学准备，包括安全教育、劳保用品、行走路线，现场兼职教师，现场教室等；

（4）安全教育，教师带领学生下厂调研，记录45钢淬火工艺参数，收集钢种生产相关资料；

（5）学生根据所学知识和实习、调研中获得的资料，总结淬火生工艺对组织的影响；

（6）与技术人员交流，请技术人员准备讲授淬火对组织的影响。

（7）教室设置成学习岛，准备投影，为每组准备2张0开白纸，大号记号笔1支、作业纸每人2张。

5.2.课中计划

（1）学生按小组就座学习岛周围，选举记录人、发言人。

（2）采用头脑风暴法，每人讲述一条影响轧制组织的因素，按顺时针顺序轮流发言，记录人将所有因素在0开白纸上按顺序记录。

要求每人发言，可以轮空，直到所有人员无法补充为止，时间15～20分钟；

（3）整理完成后，小组发言人上台展示0开白纸上的记录，并向全体师生汇报交流影响淬火组织的因素要点；发言学生汇报完成后，同组学生可以补充。

汇报完成，本组自评，其它组进行点评打分，现场技术人员参与对学生汇报的操作要点评价，指出优点和不足，每组时间8～10分钟；

（4）技术人员讲授实际生产中影响淬火组织的因素，时间20分钟；

（5）教师讲授45钢组织、淬火知识、影响淬火组织的因素、时间45分钟。

5.3.课后计划

布置作业，见6.3。

6.思考题及考评

6.1.课前思考题

布置课前思考题，保证学生下厂调研知道找什么材料、看什么操作、思考为什么如此操作。

（1）45钢生产钢种成分、质量有哪些要求？

（2）45钢淬火的工艺流程是什么？

（3）影响45钢淬火组织的因素？

（4）45钢淬火加热温度与钢的强度和硬度的关系？

6.2.课堂练习

课堂提问或者集体回答，目的：

及时复习、巩固知识，检查教学效果。

练习题

（1）45钢的大多数热处理硬化方法是基于产生高比例的马氏体。

（√）

（2）随淬火温度的升高，45钢的强度、硬度、韧性先降后升。

（×）

（3）45钢强韧性的提高主要是由于残留未溶的（A），使（C）晶粒长大受阻，导致基体组织为细小的板条（B）组织。

A、铁素体B、马氏体C、奥氏体

（4）随淬火温度升高,组织中铁素体含量逐步减少。

（√）

6.3.课后作业

课后作业，复习巩固知识、提升能力。

（1）每人结合自己学习结果，分析淬火工艺影响组织性能的原因。

。

6.4.评价建议

学生考核评价实施表

评价方式

评价内容

评价结果

得分

过程性

评价

（100%）

学生出勤（10%）

迟到一次及以下

8~10

迟到三次

5~7

缺勤

0

课堂参与

（50%）

小组评价

（20%）

小组合作融洽，讨论能达到预定的目标

16~20

小组合作比较融洽，讨论基本达到预定的目标

10~15

小组合作相对融洽或不融洽，讨论未达到预定的目标

1~9

展示评价

（20%）

展示内容全面，条理清楚、语言流畅

4~20

现场教学

评价

（10%）

遵守现场规章制度，有良好的安全意识。

0~10

完成作业（30%）

思路清晰，格式规范，内容正确

自我评价（10%）