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碳素调质钢的含碳量应控制在上述范围的上限;

2019-04-09 14:09

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  在机器结构中,一些重要的零件,如机床主轴、汽车后桥半轴、汽轮机转子和齿轮、连杆、螺栓等零件,都是在多种负荷下工作的,受力情况比较复杂,要求具有最佳的综合力学性能。一般选用调质钢来制造这些零件,并进行调质处理使其达到所需要的使用性能。调质后的材料内部显微组织为回火索氏体。

  调质钢的含碳量一般在0.30%-0.50%之间,居于中碳钢。碳量过低,影响强度;碳量过高,韧性不够。实践证明;为了使调质零件获得最为良好的综合力学性能,碳素调质钢的含碳量应控制在上述范围的上限;而合金调质钢的含碳量应控制在上述范围的下限。

  合金调质钢中所包含的主加合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、等。它们所起的主要作用是增加合金调质钢的淬透性,并且使淬火和高温回火后内部组织—回火索氏体得到强化(实际上,这些元素大多溶于铁素体中,使铁素体得到强化)。其余如Mo、V、A1、B等辅加合金元素,它们在合金调质钢中的含量一般是少量的,特别是B的含量是极微量的(0.0005%-0.003%)。Mo所起的主要作用是防止合金调质钢在高温回火时发生第二类回火脆性现象。V的作用主要是阻碍淬火加热时奥氏体晶粒长大。A1的加入能加速合金调质钢的氮化过程,可成为专用氮化钢,如38CrMoAlA。微量的B能强烈使奥氏体等温转变曲线向右移,显著地增加合金调质钢的淬透性。

  淬透性对机器制造结构钢有十分重要的意义,淬透的钢可以获得高强度和高屈强比。淬火后淬透层的强度可达1700MPa,屈强比。完全淬透的钢其屈强比远高于没有淬透的钢。淬透的钢可获得最高的断裂韧性KIC值,最高的疲劳强度和冲击韧性,最低的韧-脆转变温度FATT50。

  合金调质钢强度主要取决于相的强度和碳化物的弥散强化作用。碳含量在0.3%-0.5%之间,可以保证有足够多的碳化物以获得高强度。碳素调质钢与合金调质钢经淬火回火到相同的强度和硬度时,它们在和δ值上相近,但在断面收缩率ψ值上存在差别,强度愈高,差别愈显著,合金元素对调质钢的韧性有不同的影响。在回火后快冷不发生回火脆性的情况下,与碳素钢相比,加入Mn、Ni可以改善冲击韧性和降低韧-脆转变温度,杂质P使韧-脆转变温度升高,降低钢的冲击韧性。

  合金调质钢在高温回火时,发生回火脆性,这种高温回火脆是可逆的,与冷却速度有关。例如一种含Ni、Cr的合金调质钢淬火后在650℃回火,冷却速度不同,室温冲击值不同(如表)。

  同时,在350℃-600℃范围等温时间愈长,无论冷却速度快慢,其室温冲击韧性都将降低,韧-脆转变温度升高。钢中加入Mo、W,可以减轻甚至消除合金调质钢高温回火脆性,如40CrNiMo、35CrMo等。

  由于调质钢均在中碳范围,加上合金元素的影响,所以,许多调质钢在组织上有较大的差异。合金调质钢含合金元素较少时,正火后的组织多为珠光体,而合金元素较多的正火后则为马氏体组织。因而分别称为珠光体型钢和马氏体型钢。此外,为了便于切削加工和改善钢件因热加工不当造成的粗晶组织和带状组织,需要进行预备热处理,以及保证产品性能的最终热处理。

  首先将钢件在Ac3以上加热,出炉空冷。然后根据钢材类型,再分别进行退火(对珠光体型钢)或高温回火(马氏体型钢)。正火处理的目的是细化晶粒,减少组织中的带状程度和调整好硬度,便于机械加工。经正火处理的钢件具有等轴状细晶粒。对于珠光体型钢也可以在800℃左右进行一次退火代替正火,可以达到同样效果,即既细化晶粒,又改善切削加工性。对马氏体型钢,可在正火之后,再在Ac1以下进行高温回火。Ni含量大于3.5%的Cr-Ni钢可在640℃回火,含Ni量较低的钢在660℃回火,而Cr钢和Cr-V钢在680-700℃回火。经过高温回火后,马氏体型钢的硬度可以由原来的380-550HB降至207-240HB,此时钢件能顺利地进行切削加工。

  将钢件加热至850℃左右淬火。具体加热温度视钢件成分而定。淬火介质可以根据钢件尺寸和钢的淬透性加以选择,实际上一般合金结构钢制零件,皆可在油中淬火。而合金含量较高的、淬透性特别大的钢材,甚至在空气中都能淬火硬化。

  淬火是调质钢最终热处理的第一步。处于淬火状态的钢,其塑性低,内应力大,不能直接使用,必须进行第二步热处理工序-回火,即在500-650℃高温回火,对回火脆性敏感性较大的钢,回火后必须迅速冷却(水冷或油冷),以抑制高温回火脆性的发生。钢中的杂质元素磷、锡、锑、砷等在原奥氏体晶界的平衡偏聚引起晶界脆化,是产生高温回火脆性的的直接因素。这些杂质元素的含量超过十万分之几,就可能使钢产生回火脆性倾向。特别是在450-550℃范围工作的钢,对此尤为敏感。合金元素铬、锰、镍、硅等强烈促进钢的高温回火脆性。稀土元素和杂质元素能形成稳定的化合物,如LaP、LaSn、CeP、CeSb等金属间化合物,可以大大降低甚至是消除钢的高温回火脆性。若稀土元素和Mo进行复合合金化,则效果更佳,可以解决长时间在450-550℃范围内工作的部件的高温回火脆化问题。

  通常,调质钢制零件除了要求较高的强、韧、塑性配合外,往往还要求某些部位(如轴类零件的轴颈或花键处)有良好的耐磨性。为此,调质处理后还要在局部进行高频感应表面淬火,然后低温回火,可以使这些部位的表面硬度达到56-58HRC。如零件要求更耐磨、更高的尺寸精度,就需要选用氮化钢(如38CrMoAlA)调质处理后再氮化处理。对带有缺口的零件,为减少缺口引起的应力集中,调质以后在缺口附近,再进行喷丸或滚压强化,可以大大提高疲劳抗力,延长使用寿命。

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