号钢热处理工艺优选.docx
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号钢热处理工艺优选
45号钢热处理工艺
学号:
XXXXXX
姓名:
XXXXX
指导老师:
XXX
一、综述
【内容摘要】:
45钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。
它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
45钢淬火温度在A3+(30~50)℃,在实际操作中,一般是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快,表面氧化减少,且能提高工效。
为使工件的奥氏体均匀化,就需要足够的保温时间。
【关键字】:
调质淬火45钢的调质淬火回火45钢淬火后的回火
1.调质淬火
调质是淬火加高温回火的双重热处理,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。
为使调质件得到好的综合性能,一般含碳量控制在~%。
调质淬火时,要求工件整个截面淬透,使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。
通过高温回火,得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。
淬火
——淬火是将工件加热到AC3或AC1点以上某一温度保持一定时间。
然后以适当速度快速冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。
目的:
就是为了获得马氏体或下贝氏体组织,提高强度硬度,以便在随后不同温度回火后获得所需要的性能。
(1)淬火加热温度
淬火温度主要是根据Fe—Fe3C相图中钢的临界点确定。
亚共析钢的淬火加热温度:
AC3以上30℃~50℃,使钢完全奥氏体化,淬火后获得全部马氏体组织。
共析钢、过共析钢的淬火加热温度:
为AC1以上30℃~50℃,得到奥氏体和部分二次渗碳体,淬火后得到马氏体(共析钢)或马氏体加渗碳体(过共析钢)组织。
(2)淬火冷却
淬火冷却时,要保证获得马氏体组织,必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却,而快速冷却会产生很大淬火应力,导致钢件的变形与开裂。
因此,淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织,又要减小变形、防止开裂。
常用冷却介质:
目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。
实际生产中,使用的冷却介质较多,到目前为止,尚未找到一种介质,能完全符合理想淬火冷却速度的要求。
水具有较强烈的冷却能力,用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火,水冷却介质最为合适。
油的冷却能力比水小,因此,生产中用油作冷却介质,只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。
(3)淬火冷却方法
①单介质淬火是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。
这种淬火方法的优点是操作简便,适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬,小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。
缺点对大尺寸和或形状复杂的工件,采用水淬变形开裂倾向大,而油淬冷却速度小,淬不硬。
②双介质淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质,在组织即将发生马氏体转变时,立即转入冷却能力弱的介质中冷却。
常用的有“水——油”、“水——空”双介质淬火。
这种方法能有效地减少热应力和相变应力,降低工件变形和开裂的倾向,所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。
但操作时应严格控制工件在水中的停留时间,要求操作工人必须具备丰富的经验和熟练的技术。
2.45钢的调质淬火:
45钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。
它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
45号钢的淬火温度在820~840度左右,在实际操作中,一般是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快,表面氧化减少。
为使工件的奥氏体均匀化,就需要足够的保温时间,一般为1min/mm,如果实际装炉量大,就需适当延长保温时间。
不然,可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。
但保温时间过长,也会也出现晶粒粗大,氧化脱碳严重的弊病,影响淬火质量。
我们认为,如装炉量大,加热保温时间需延长1/5。
因为45钢淬透性低,故应采用冷却速度大的10%盐水溶液,45号钢水淬容易有软点的.。
水温要小于30°。
工件入水后,应该淬透,但不是冷透,如果工件在盐水中冷透,就有可能使工件开裂,这是因为当工件冷却到180℃左右时,奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。
因此,当淬火工件快冷到该温度区域,就应采取缓冷的方法。
由于出水温度难以掌握,须凭经验操作,当水中的工件抖动停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。
另外,工件入水宜动不宜静,应按照工件的几何形状,作规则运动。
静止的冷却介质加上静止的工件,导致硬度不均匀,应力不均匀而使工件变形大,甚至开裂。
45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59,截面大的可能性低些,但不能低于HRC48,不然,就说明工件未得到完全淬火,组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织,这种组织通过回火,仍然保留在基体中。
3.回火
——回火是将工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。
回火使工件获得所需的使用性能。
(1)回火目的
钢在淬火后一般很少直接使用,因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体,并且有内应力产生,马氏体虽然强度、硬度高,但塑性差,脆性大,在内应力作用下容易产生变形和开裂;此外,淬火后组织是不稳定的,在室温下就能缓慢分解,产生体积变化而导致工件变形。
因此,淬火后的零件必须进行回火才能使用。
回火的目的是:
①减少或消除淬火内应力;②稳定组织,稳定尺寸;③降低脆性、获得所需要的力学性能。
(2)回火时组织与性能的变化
淬火钢的组织转变可分为四个阶段:
马氏体的分解(200℃以下)→残余奥氏体分解(200~300℃)→渗碳体的形成(250~400℃)→渗碳体聚集长大(400℃以上)。
随着回火温度升高,淬火内应力不断下降或消除,硬度逐渐下降,塑性、韧性逐渐升高。
(3)常用回火方法
①[低温回火](<250℃)低温回火后得到回火马氏体组织。
其目的是降低钢的淬火应力和脆性,回火马氏体具有高的硬度(一般为58~64HRC)、强度和良好耐磨性。
因此,低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。
②[中温回火](250℃~500℃)中温回火后得到回火托氏体组织。
使钢具有高的弹性极限,较高的强度和硬度(一般为35~50HRC),良好的塑性和韧性。
中温回火主要用于各种弹性元件及热作模具。
③[高温回火](>500℃)高温回火后得到回火索氏体组织。
工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。
调质后,钢具有优良的综合力学性能(一般硬度为220~230HBS)。
高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的曲轴、连杆、螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。
4.45钢淬火后的回火
(1)加热温度通常为200℃,硬度要求为HRC44~48。
200℃回火金相为回火马氏体.图纸有硬度要求的,就要按图纸要求调整回火温度,以保证硬度。
关于回火保温时间,视硬度要求和工件大小而定,我们认为,回火后的硬度取决于回火温度,与回火时间关系不大,但必须回透,一般工件回火保温时间总在一小时以上。
(2)45钢淬火后硬度不足,主要原因有两方面:
①45钢加热温度偏低,或保温时间不足。
在此状态下,组织中奥氏体的碳和合金元素含量不够,甚至组织中还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体,导致45钢淬火后硬度达不到。
②45钢加热温度过高,或保温时间过长,造成45钢表面脱碳,导致硬度变低。
结论:
1.淬火条件影响样品的组织和性能。
2.回火温度影响样品的组织和性能。
3.碳元素影响样品的组织和性能。
45钢广泛用于机械制造,这种钢的机械性能很好。
热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性,但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷,通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响,对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能,找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律,并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析,最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。
二、选题依据
45号钢是优质碳素结构用钢,硬度相对不高,切削加工相对容易。
45号钢既能做模具模板,又可制造曲轴、轴、活塞销、工夹具等要求强度较高的零件,应用十分广泛。
为使45钢具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。
它不改变45钢的外形,通过热处理能充分发挥45钢的潜力,并赋予45钢所需要的各种特殊性能,达到提高45钢质量,延长使用寿命,确保机器运行安全可靠的目的。
亚温淬火作为45钢的一种强韧化工艺,正在国内外迅速发展。
一方面它能提高45钢的强韧化效果,阻碍裂纹的扩展,改善有害杂质的分布,提高45钢的综合机械性能;另一方面由于其加热温度较低,因此可降低加热成本,提高能源利用率[3]。
尽管热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性,但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷,使45钢成为不合格品或废品,造成经济损失,如果热处理缺陷不能及时发现,带有缺陷的45钢产品投入使用,可能会引起重大事故。
为此本文通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响,对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能,找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律,并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析,最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。
三、实验材料与设备
1.实验设备
(1)热处理加热炉:
箱式电阻炉;HR-1500洛式硬度计(洛氏硬度C标尺);金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸;抛光机及抛光液;
(2)浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、脱脂棉、滤纸等;
2.实验材料
试样:
直径φ10mm,高度15mm的45钢,T8钢圆柱状小试样。
三、实验过程
利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理(淬火加560℃回火)、测硬度以及显微组织观察分析。
本实验以得到马氏体为目标,需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。
1.试样的热处理
(1)淬火
①加热温度根据本实验热处理的目的,本实验选择淬火加热温度为840℃
②保温时间本45号钢样品直径为φ10mm的小圆柱体,高度与直径相差不大。
所以不单独考虑升温时间,α取2min/mm,k取1。
根据实验原理中的式子t?
?
?
K?
H,计算得加热时间为20min。
③冷却介质由45钢的连续冷却转变曲线可知,碳钢的临界冷却速度很大,应选用具有较强冷却能力(见表常用冷却介质的冷却直径)的水作为冷却介质,才能避免冷却曲线与C曲线相交,得到索氏体组织。
已查得45钢淬火临界直径如表所示,选择水作为淬火冷却介质能保证φ10mm圆柱样品被淬透。
淬火介质
静油
20℃水
40℃水
20℃5%
NaCl水溶液
临界直径(mm)
10
20
16
表常用冷却介质的冷却直径
具体操作:
把样品放入箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上,调节加热温度,待测温仪显示为840℃时开始计时,保温20min后,用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌,使样品能淬透。
(2)回火
①加热温度实验要求的回火加热温度为560℃(在500~650℃高温回火,得到回火索氏体组织)
②冷却介质空气,进行空冷。
具体操作:
把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的560℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上,待使炉温稳定后开始计时,保温30min后,用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。
2.试样硬度测定
将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨,去掉表面氧化皮。
用360#砂纸将试样表面磨平,再依次使用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸打磨。
然后,将样品放在洛式硬度计的载物台上,采用洛式硬度C标尺测量样品硬度(硬度计压头为金刚石,量程20~70HRC,加载载荷为150kg)。
在试样上不同位置取四个点,第一个点不计入数据,后三个点计入数据,若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀,最后对三个测量值求平均值。
3.显微组织观察与拍照记录
(1)样品的制备
①样品的磨光。
用一套金相砂纸(包括360#,400#,600#,800#,1000#,1200#、1500#)在玻璃板上先粗后细逐号磨光。
注意每换上一号细一些的砂纸时,将磨光方向转换90°,以便于观察原磨痕的消除情况。
最后,将样品在磨光机上磨光,注意手持样品应用力均匀,用力也不宜过大。
②样品的抛光。
样品在金相样品抛光机上细抛,使样品表面达到光亮如镜的光洁度。
③显微组织的显示。
将抛光好的样品,直接在显微镜下观察,应基本上没有磨痕和磨坑,而无法观察到晶界、各类相和组织。
本实验采用化学浸蚀法,将浸蚀液(4%硝酸酒精)和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中,用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试,当光亮镜面呈浅灰白色,立即用水冲
(2)显微组织的观察与记录
制备好的样品用显微镜在40~400倍不同放大倍数下观察组织,体会放大倍数的不同对组织观察的影响。
选择合适的放大倍数(200倍,400倍)利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。
五、实验结果与分析
1.样品硬度与显微组织分析
(1)处理方式:
无处理
组织分析:
铁素体和珠光体,但比退火的晶粒要小,硬度要高一些。
图×45钢原样图×45钢原样
(2)处理方式:
840℃淬火
组织分析:
针状淬火马氏体和残余奥氏体。
图×45钢淬火图×45钢淬火
(3)处理方式:
560℃回火调质
组织分析:
铁素体和粗粒渗碳体的混合物――回火索氏体。
回火索氏体在光学显微镜下呈较为粗大的晶体颗粒,其内分布着细均匀颗粒小球状碳化物。
从图中可看出样品浸蚀效果较好,渗碳体微粒能比较清楚的呈现。
图×45钢回火图×45钢回火
测得该样品硬度为28HRC。
根据其硬度和微观组织形貌可以判断,生成了回火索氏体。
因此,实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织,且硬度实验值也与手册符合得较好。
2.硬度测试数据
组别
硬度
1
2
3
4
平均
原始硬度
22
26
20
24
23
淬火后硬度
51
53
52
56
53
回火后硬度
23
26
31
27
28
表号钢不同状态下硬度硬度单位:
HRC
组别
硬度
1
2
3
4
平均
原始硬度
35
38
40
37
35
淬火后硬度
65
62
63
60
回火后硬度
59
60
57
60
59
表钢不同状态下硬度硬度单位:
HRC
3.淬火对试样性能的影响
(1)淬火温度的影响
45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30~50℃,淬火温度选840℃可得细而均匀的奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。
若在Ac3以上过高温度如1000℃加热,会使奥氏体晶粒粗化,淬火后马氏体粗大,脆性增大,硬度下降,粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。
若在Ac1~Ac3之间的两相区加热,如770℃淬火后,高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体,造成硬度不足(见表),力学性能降低。
(2)淬火介质的影响
常用淬火介质及其冷却能力如表常用淬火介质及其冷却能力所示,可知水具有较大的冷却能力,但在低温区冷却速度太快,工件容易淬裂,另外水冷却能力对温度变化敏感,水温升高,冷却能力急剧下降。
油全程冷却速度均比水小,在低温区冷却速度合适,但在高温区冷却能力却很低。
淬火介质
冷却速度(℃/s)
在650~550℃区间
在300~200℃区间
水(18℃)
600
270
水(26℃)
500
270
水(50℃)
100
270
矿质机油
100
20
表常用淬火介质及其冷却能力
碳钢的临界冷却速度大,一般采用冷却能力较强的淬火介质如水,才能得到全部为马氏体的显微组织。
若选用油作为淬火介质,由于其冷却速度小,冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖”处相交,转变过程得到小部分屈氏体组织,因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出,并连成网状结构,室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织,使强度降低,硬度明显下降(见表钢不同回火温度与测量硬度值)。
4.回火对试样的影响
(1)回火温度对45钢组织的影响
钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体,都是亚稳相。
一旦进行加热,原子扩散能力加强,会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。
随回火温度升高,转变大致分为五个阶段:
①马氏体中碳原子的偏聚;②马氏体的分解;③残余奥氏体的转变;④碳化物的转变;⑤碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。
45钢在150~350℃低温回火,得到回火马氏体组织。
回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。
低温回火后,只是碳原子的偏聚,与淬火马氏体没有显着区别,但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀,故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。
在350~500℃中温回火后,得到回火屈氏体组织。
由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体,渗碳体聚集长大并球化,条状α相上分布着微细粒状渗碳体,但光学显微镜下难以分辨。
在500~650℃高温回火,得到回火索氏体组织。
这时α相发生再结晶,由等轴状铁素体逐步代替针状α相。
其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织,光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。
若45钢在650℃~A1间回火,粒状渗碳体明显粗化,将得到粒状珠光体组织。
(2)回火温度对45钢硬度和强度的影响
组别
1
2
3
4
5
回火温度(℃)
200
300
400
500
600
45钢回火后硬度(HRC)
表钢不同回火温度与测量硬度值
从表不同回火温度与测量硬度值,淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。
45钢在200℃以下回火,硬度下降缓慢,这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物,增大塑性变形抗力,使硬度下降延缓。
200~300℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用,硬度下降趋势平缓。
300℃以上回火,随着ε碳化物变为渗碳体,共格破坏以及渗碳体聚集长大,使硬度快速下降。
碳含量对钢的淬硬性的影响
(3)以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。
原始硬度
淬火硬度
回火硬度
45钢
23
53
28
T8钢
35
59
表钢和T8钢硬度
淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度,主要与钢的含碳量有关。
本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后,测其硬度值分别为53HRC和)HRC。
比较这两数据可知,随着钢的含碳量增加,淬硬性增强。
因为钢淬火得到的组织为马氏体,马氏体的硬度主要取决于含碳量,随碳含量的增加,马氏体的硬度增大,这主要是由于碳的固溶强化作用,另外,随碳含量的增加,马氏体转变点Ms和Mf都降低,促进了自回火现象的发生,使碳化物弥散析出产生时效强化。
因此,提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。
六、结论
根据所做实验及其结果可得以下结论:
1.淬火条件影响样品的组织和性能。
淬火温度及冷却速度(选择有效的冷却介质)适宜时,生成细小的马氏体组织,回火后强度高,塑性不差,力学性能较好。
淬火温度低,发生不完全淬火,组织为马氏体+铁素体组织,强度低,硬度也低,力学性能较差。
淬火温度较高时,形成粗大奥氏体,由于组织的遗传性,淬火后形成粗晶马氏体组织。
冷却速度过快,形成巨大内应力,可能发生淬裂现象。
冷却速度过慢,形成的马氏体不完全,有珠光体形成(珠光体,索氏体,屈氏体)。
2.回火温度影响样品的组织和性能。
根据回火温度分为低温回火,中温回火,高温回火(不同钢种,所对应的温度有差异,一般合金元素越多,温度越高)。
生产回火马氏体,回火屈氏体,回火索氏体。
回火马氏体晶粒最细小,硬度强度最高;回火屈氏体晶粒介于两者之间,硬度强度中等,根据资料显示具有极好的弹性;回火索氏体板条最粗大,强硬度最低,但具有较高的塑韧性。
3.碳元素影响样品的组织和性能。
碳原子能起到固溶强化作用,对马氏体形成来说,基体的强度硬度越大,马氏体越不易形成从而降低了Ms点。
同时,最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。
七、参考文献
1.中国机械工程学会热处理学会。
热处理手册(第4版)。
第1卷,工艺基础。
北京:
机械工业出版社,2008。
2.中国计量科学研究院。
黑色金属硬度及强度换算值。
中华人民共和国国家标准。
GB/T1172-1999。