完整版40钢亚温淬火毕业设计.docx

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完整版40钢亚温淬火毕业设计

1绪论

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。

其特点是改善工件的内在质量。

为使金属工件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。

钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。

另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。

早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。

白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。

中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。

1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。

法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。

与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。

二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。

一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

在长期的生产实践和科学实践中,人们对金属内部组织状态变化规律的认识不断深入。

特别是从60年代以来，透射电镜和电子衍射技术的应用，各种测试技术的不断完善，在研究马氏体形态、亚结构及其与力学性能的关系，获得不同形态亚结构的马氏体的条件，第二相的形态、大小、数量及分布对力学性能影响等方面，都取得了很大的发展。

建立在这些基础上的淬火新工艺也层出不穷，其中亚共析钢的亚温淬火就是其中之一。

亚共析钢在~之间的温度加热淬火称为亚温淬火。

意即比正常淬火温度低的温度下淬火，其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆性倾向。

有人研究了35CrMnSi钢不同淬火状态的冲击韧性及硬度与回火温度的关系，可知经930℃淬火+650℃回火+800℃亚温淬火的韧性，随着回火温度的升高而单调提高，没有回火脆性。

有人研究了直接应用亚温淬火时，淬火温度对45、40Cr和60钢力学性能的影响，发现在和之间的淬火温度对力学性能的影响有一极大值。

在以下5~10℃处淬火时,硬度、强度都达到了最大值，且略高于普通正常淬火。

第一重型机械集团冶金研究所的刘时雨等人所做的理论分析与实验结果表明，20MnMo、12Cr1MoV钢（亚共析钢）在略低于的温度奥氏体化淬火，可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。

亚温淬火加热温度应接近于，以避免出现过多的铁素体而影响钢的强度。

同时生产实践的结果表明大型低碳合金钢锻件经过亚温淬火热处理后，与正常调质、正常回火热处理工艺相比，在满足工件强度的条件下，不仅可以获得更细化的晶粒组织，节省能源，为性价比极佳的一种热处理方法。

§1.145钢性能应用及传统热处理方式

一45钢性能应用

45钢用以制造蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件；还可代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等零件（零件需经高频或火焰表面淬火）；并可用作铸件。

45＃钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。

1.45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）。

2.45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。

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。

渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。

其表面含碳量0.8－－1.2％，芯部一般在0.1－－0.25％（特殊情况下采用0.35％）。

经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。

如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。

现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30％芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。

0.35％从来没见过实例，只在教科书里有介绍。

可以采用调质＋高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。

二传统热处理方式

牌号:

45

推荐热处理℃|正火:

850

推荐热处理℃|淬火:

840

推荐热处理℃|回火:

600

力学性能|σbMPa≥:

600

力学性能|σsMPa≥:

355

力学性能|δ5（%）≥:

16

力学性能|ψ（%）≥:

40

力学性能|AKUJ≥:

39

钢材交货状态硬度HBS103000，≤|未热处理钢:

229

钢材交货状态硬度HBS103000，≤|退火钢:

197

§1.2钢的亚温淬火处理

§1.2.1亚温淬火简介

亚温淬火是亚共析钢在Ac1~Ac3温度之间两相区内加热，经充分保温后淬火，又称临界区淬火

在机器制造业中,广泛采用着低、中碳碳钢或低、中碳低合金钢等结构钢。

结构钢传统的热处理工艺是调质,即完全淬火加高温回火。

淬火所得组织为马氏体,高温回火后为回火索氏体。

此种显微组织提供了强度和韧性的良好配合。

对亚共析结构钢采用完全淬火的理由是避免出现未溶铁素体而使钢的性能变坏。

但近年来,随着强韧化工艺的发展,人们在生产实践和科学试验中发现,对亚共析钢采用不完全淬火有助于在不降低材料强度的同时提高其韧性。

所谓亚温淬火,亦即亚共析钢的不完全淬火,或称临界区淬火、两相区加热淬火,是将钢加热至奥氏体和铁素体两相区进行淬火。

亚温淬火及随后回火是一种使钢强韧化的新工艺此工艺对钢的原始组织有一定要求,一般在亚温淬火前均需进行一次完全淬火或调质处理

§1.2.2亚温热处理的强韧化效果

1.2.2.1提高钢在韧性状态下的冲击韧性

许多文献均报导了亚温淬灭可以提高钢的室温和低温冲击韧性值。

例如,可以提高Cr一51一Ni钢〔1一6〕、12H3钢〔7〕、45钢、40X钢和60CZ钢〔8〕、22CrMnSiMo钢*和35CrMo钢〔9〕以及5%Ni钢〔10〕等在韧性状态下的冲击韧性

经调质的和经亚温淬火并回火的35xrc钢,在σb相同的情况下,后者的室温冲击韧性较前者约高1倍（见表1）。

30XFC钢经780ºC或800ºC亚温淬火可使550ºC回火后的室温冲击韧性较920ºC常规淬火并550ºC回火后的约高2~3倍（见表l）〔11〕。

表1－1亚温淬火对35X「C钢室沮。

二的影响〔1〕

热处理规范

在下列σb（公斤毫米²）下的ɑＡ（公斤*米厘米²）

110～120

100～110

95～100

90

930ºC淬火+高温回火（空冷）

930ºC淬火+800ºC淬火+高温回火（空冷）

3.5～4.5

6

3.5～4.4

8～9

5

10～11

7.5

12

对22CrsiMo钢、35CrMo钢、40x钢、42CrM。

钢和45钢所进行的试验结果示于表2。

由表2可见,与一般调质工艺相比,在硬度、即强度相同的情况下,亚温淬火使22-CrMnsiM。

钢于一60ºC的冲击韧性提高了200%（结合断口分析可知,此处包括了因脆性转变温度下降而使断裂从脆断转变为韧断所导致的冲击韧性的提高）,使35CrM。

钢提高了83%,使40Cr钢提高了17%,而对42CrMo钢和45钢效果不明显

表1-2各种钢经最佳亚沮处理与调质后的性能对比〔9〕

钢号

热处理规范

HRC

ɑk（公斤*米厘米²）

25ºC

-60ºC

22CrMnsiMo

860ºC油淬+575ºC回火**

860ºC油淬+575ºC回火***

860ºC油淬+575ºC回火+785ºC油淬+500ºC回火

860ºC油淬+575ºC回火+785ºC油淬+550ºC回火

29.8

27.5

29.6

24.4

2.20

2.77

4.52

6.35

35CrMo

860ºC油淬+575ºC回火

860ºC油淬+575ºC回火+785ºC油淬+550ºC回火

860ºC油淬+575ºC回火+800ºC油淬+550ºC回火

36.4

37.3

36.8

8.03

14.58

14.53

40Cr

860ºC油淬+630ºC回火

860ºC油淬+630ºC回火+770ºC油淬+660ºC回火

30.7

29.8

7.85

9.17

42CrMo

860ºC油淬+600ºC回火

860ºC油淬+600ºC回火+765ºC油淬+550ºC回火

36.0

38.7

12.25

11.06

45

830ºC水淬+600ºC回火

830ºC水淬+600ºC回火+780ºC水淬+600ºC回火

17.0

20.2

14.87

15.57

35CrMo钢的Ac1为755ºC,Ac3为800ºC；40Cr钢的Ac1为743ºC，Ac3为782ºC

42CrMo钢的Ac1为730ºC,Ac3为780ºC；45钢的Ac1为724ºC，Ac3为780ºC

*2CrMnsiMo钢的临界点未查出,但由金相组织看出,该钢经860℃悴火后的组织中无铁素体存在。

而经800℃淬火后的组织中则有铁素体,故该俐的Acs界于800ºC~860℃之间。

*此处22CrMnsiMo钢系将母材35CrMo钢用08CrMnSiMo钢焊丝进行CO2气体保护半自动焊接后的焊缝成份。

焊后为类似铸态的粗大组织。

由此看来,亚温悴火的强韧化效果与钢中含碳量有关。

这可能是由于含碳量低时,亚温淬火后仍得到强韧性好的板条马氏体,而含碳量高时,亚温淬火后得到的组织中片状马氏体量增多的缘故。

这一看法与对金相组织的观察基本符合。

断口分析进一步证明了亚温淬火的强韧化效果:

于一60ºC冲断的宏观断口上看出,经最佳亚温淬火规范处理后的22CrMnSiMo钢,只有标志韧性破断的纤维区及剪切唇,而没有标志脆性的放射区（3scrM。

钢亦然）;从微观电子扫描断口可以看出,22CrMnSiMo钢经调质后为呈现大量撕裂棱的准解理破断（图1）,而经最佳亚温淬火规范处理后则为准解理及韧窝混合断口（图2）。

35CrMo钢经一般调质后于一60℃冲断为准解理及解理断口（图3）,而经亚温处理后于一60℃冲断则合部呈现出韧窝（图4）。

综上所述,亚温淬火对许多结构钢的室温和低温韧性有不同程度的提高,亦即在不牺牲强度的情况下提高了韧性状态下的冲击韧性

图1图3

材料22CrMnSiMo钢材料35CrMo钢

热处理860℃油淬+575℃回火热处理860℃油淬+575℃回火

冲断温度一60℃冲断沮度一60℃

放大倍数×1000放大倍数x1000

断口形态准解理（有裂旅、沟道）断口形态解理+准娜理

图2图4

材料2CrMnsiMo钢材料35CrMo钢

热处理860℃油淬+575℃回火热处理60℃油淬+575℃回火

+785℃油摔+55D℃回火+785℃油悴+550℃回火

冲断沮度一60℃冲断温度一60℃

放大倍数议2000放大倍数×1000

断口形态准解理+韧窝断口形态韧窝

1.2.2.2降低钢的脆性转变温度

亚温淬火还可降低钢的脆性转变温度。

例如,可降低35xre钢〔l〕、12Hs钢〔7〕、35CrMo钢〔9〕、低碳锰钢（15%C、0.38%51、1.13%Mn、0.25%Cr0.03%V、0.07%AI）〔12〕以及3.5%Ni一Cr一Mo一V转子钢〔13〕等的脆性转变温度。

如表1-3所示,亚温淬火使低碳锰钢（0.15%.C、0.38.%51、1.13%Mn、0.25%cr、0.03%v、0.07%AI）的脆性转变温度下降了20ºC而保持一般调质后的强度水平

表1-3亚温淬火对低锰钢*机械性能的影响〔12〕

热处理规范

σ3

（公斤毫米²）

σb

（公斤毫米²）

δ

（%）

夏比V一15英尺磅的

脆性钱变温度（℃）

50%FATT,

（℃）

930℃×30分淬火+600℃x40分回火

930℃x3分淬火+540℃x5分淬火+600℃x40分回火

57.4

60.8

65.5

69.2

27.9

36.8

-50

-70

-24

-47

成份为0.15%C,0.35%Si,2.13%Mn,0.25%Cr,0.03%V,0.07%Al,Ac1为745℃,Ac3为880℃.

表1-4亚温淬火对3.5%Ni-Cr-Mo-V转子钢的形响〔13〕

钢号

热处理规范

硬度

（HRC）

非脆性状态

脆性状态

FATT

（ºC）

Ab（英尺-磅）

FATT

（ºC）

Ab（英尺-磅）

25Ni3CrZMo（0.054%P,0.008%Sn）

845℃x40小时,油淬+（625℃、620℃）回火各l小时

750℃x80分再加热,油淬+570℃xl小时回火

33～34

33

-35

-60

115

+220

-10

102

25Ni3Cr2Mo（0.010%Sn,0.015%Sb）

845℃x40小时,油淬+620℃x1小时回火（二次）

750℃×40小时再加热,油淬+530℃x40小时+560℃x1小时回火

34～45

26

-105

-120

129

187

-40

-95

108

172

25Ni3Cr2

（0.022%P）

845℃x40小时,油淬+570℃x1小时回火

750℃x40小时再加热,油淬+580℃x40小时+565℃1小时回火

34～35

26

+95

-5

95

136

+210

+85

25Ni3Cr2Mo（0.010%Sn,

0.015%Sb）

545℃x40小时,油淬+（615℃、610℃）回火各1小时

750℃x40小时再加热油淬+550℃x40小时+565℃x1小时回火

34～36

26

+10

-30

106

165

+60

-25

102

163

注:

原淬火条件为845℃x40小时油淬。

回火后水冷为非脆性状态,

回火后按下列工艺分级冷却为眠性状态:

540℃×15小时→525℃x24

小时→495℃x48小时,炉冷至315℃出炉空冷。

表1-4表明,亚温淬火降低了3.5%Ni-Cr-Mo-V转子钢在回火脆性状态和非脆性状态下的脆性转变温度。

1.2.2.3抑制钢的可逆回火脆性

亚温淬火在抑制或减小某些钢的可逆回火脆性方面效果不一，例如,可抑制35xrC钢〔1〕、30XrC钢〔11〕、40CrNi钢〔9〕、2¼Cr-Mo钢〔14〕、25Cr2Ni4MoV钢〔13〕、含P的Ni一Cr钢〔15〕以及40xrc钢〔6〕的可逆回火脆性。

文献〔16〕报导,在淬火和回火之间增加一次亚温淬火或最初就加热至两相区可以减小可逆回火脆性。

图1表明35Xrc钢经亚温淬火后其可逆回火脆性已被抑制,ɑk值随回火温度升高而单调上升。

但国内某些未发表资料〔17、18〕表明,亚温淬火不能有效抑制30XrC钢的可逆回火脆性,原因不详。

表1-5、1-6为40Cr钢的试验结果由表1-5、1-6可见,亚温淬火不能抑制40Cr钢的可逆回火脆性,不论采用何种淬火规范,在脆化温度回火时,回火后不论快冷或慢冷,冲击韧性值均低高于脆化温度回火时,回火后快冷的冲击韧性值均高,回火后慢冷的均低。

40CrNi钢则不然,如表1-7所示,一般调质时,回火冷速对所得冲击韧性值有明显影响,冷速愈慢,韧性愈差,反映出可逆回火脆性的存在。

调质后再进行一次亚温淬火,则回火后冲击韧性值对回火冷速基本上已不敏感,炉冷的ɑK

值仅略低于快冷的,且在所有回火冷速下均较调质后的ɑK值为高。

扫描电镜观察的断口见图。

对比图7a与图7c可见,亚温淬火抑制了40CrNi钢的可逆回火脆性,

获得了韧窝断口,而调质的为沿晶断口。

文献〔19〕亦指出,经回火脆性区回火后,常温淬火试样在室温及一196ºC冲断后的断口为沿奥氏体晶界脆断的;而亚温淬火试样则为沿奥氏体晶界韧断的无光泽断口。

据文献〔15〕报导,采用亚温淬火几乎可以完全抑制加0.06%P（重量）的Ni一Cr钢的回火脆性敏感性。

该工作对常规热处理采用了三种奥氏体化温度（1200ºC、1050ºC和850ºC）以获得一系列不同的原奥氏体品粒度,然后油淬。

对于亚温淬火采用同样的预先奥氏体化处理,奥氏体化后油淬,再于745ºC加热水淬。

常规淬火试样于625ºC回火1小时,亚温淬火试样于560ºC回火2小时,以使二者获得相同的硬度,然后于480ºC时效3000小时以产生回火脆性。

结果表明,亚温淬火后在脆化温度长时间回火不发生脆化。

金相分析表明,亚温淬火后断裂仍沿晶界发生,但由于亚温淬火时在原粗大的奥氏体晶界上形成了新的细小的奥氏体晶粒（14~16级）,而断裂是沿小奥氏体晶粒边界发生的,故使ɑK值升高。

此外,俄歇电子谱仪分析证实亚温淬火亦使磷在奥氏体晶界的偏聚量减少。

同一作者又研究了加0.06%Sb的影响〔20〕。

结果发现亚温淬火不能抑制该钢的可逆回火脆性,但对此尚不能下肯定结论

综上所述,亚温淬火在某些情况下可以有效抑制某些钢的可逆回火脆性,但对有的钢效果不明显。

即使对同一钢种,有时不可抑制,而有时则不能抑制。

由此看来,亚温淬火对抑制可逆回火脆性是有条件的。

此外,亚温淬火的上述强韧化效果在其它低碳锰钢（0.15%~0.21%c、1.4~6.7%Mn）〔21〕、低碳复杂合金钢〔2〕、、超高强度钢〔23、24〕以及别的钢种〔25〕上均得到反映。

亚温淬火还可消除18MnV钢距熔合线。

.25毫米处热影响区的过热对韧性所造成的不良影响〔26〕。

亚温淬火这一强韧化措施对发展低温用钢亦有相当贡献〔27~30〕。

表1-5550ºC回火后冷却速度对40Cr栩冲击韧性的形响〔9〕

No

热处理规范

最后一次回火后的冷去方式

HRC

ɑk-60ºC

（公斤*米厘米²）

1

2

3

4

5

6

7

860℃油淬+630℃回火+770℃油淬+550℃回火2小时

860℃油淬+630℃回火+770℃油淬+550℃回火4小时

860℃油淬+630℃回火+760℃油淬+550℃回火2小时

860℃油淬+630℃回火+760℃油淬+550℃回火4小时

860℃油淬+630℃回火+860℃油淬+550℃回火2小时

860℃油淬+630℃回火+860℃油淬+550℃回火4小时

860℃油淬+630℃回火+550℃回火4小时

单件散放快冷

断电开炉门缓冷

单件散放快冷

断电开炉门缓冷

单件散放快冷

断电开炉门缓冷

断电开炉门缓冷

34.3

32.5

34.4

32.1

35.1

33.1

32.5

6.50

6.43

6.62

6.10

6.20

6.80

6.60

注:

No1~4为最佳亚温淬火工艺。

No5~6为二次调质。

No7为一次调质。

表1-6600ºC以上回火后冷却速度对40Cr铜冲击韧性的影晌〔9〕

No

热处理规范

最火一次回火后的冷去方式

HRC

ɑk-60ºC

（公斤*米厘米²）

1

2

3

4

5

860℃油淬+630℃回火

860℃油淬+630℃回火+770℃油淬+600℃回火

860℃油淬+630℃回火+770℃油淬+600℃回火

860℃油淬+630℃回火+860℃油淬+600℃回火

860℃油淬+630℃回火+860℃油淬+600℃回火

毛坯堆放缓冷

单件散放快冷

断电开炉门缓冷

单件散放快冷

断电开炉门缓冷

30.7

29.8

29.2

31.2

7.85

9.17

8.00

9.03

7.06

注:

No1为一次调质

No2～3为最佳亚温淬火工艺

No4～5为二次调质。

表1-7亚沮淬火对40CiNi钥可逆回火脆性的影响〔9〕

No

热处理规范

ɑk15ºC

（公斤*米厘米²）

1

830℃油淬+650℃x2小时油冷。

16.16

2

830ºC油淬+650℃x2小时空冷。

15.64

3

830℃油淬+650℃x2小时炉冷。

12.31

4

830℃油悴+650℃x2小时空冷+760℃油淬+650℃x2小时油冷

18.80

5

830ºC油淬+650℃x2小时空冷+760ºC油淬+650ºCx2小时空冷

18.45

6

830℃油淬+650℃x2小时空冷+760℃油淬+650℃x2小时炉冷

17.35

*毛坯锻后均经750℃退火。

图5图6

材料40CrNi钢材料40CrNi钢

热处理830℃油悴+650℃回火炉冷热处理830℃油淬+650℃回火油冷

冲断温度15℃冲断温度15℃

放大倍数xl000放大倍数x1000

断口形态沿晶断口形态韧窝

图7图8

材料40CrNi钢材料40CrNi钢

热处理830℃油淬+650℃回火空冷热处理830℃油淬+650℃回火空冷

+760℃油淬+650℃回火护冷+760℃油淬+650℃回火油冷

冲断温度15℃冲断温度15ºC

放大倍数X500放大倍数X500

断口形态韧窝断口形态韧窝

（原材料有裂坟、夹杂沿梅氏试祥长度方向分布）

§1.2.3影响亚温淬火强韧化的因素

1.2.3.1原始组织