鋼的熱處理:是將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理不僅可用于強化鋼材,提高機械零件的使用性能,而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。其共同點是:只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),不改變表面形狀與尺寸。
熱處理工藝能夠顯著地提高鋼的力學(xué)性能,增加零件的強度、韌性和使用壽命,提高硬度和耐磨性。所以重要的機器零件和工具都要進(jìn)行熱處理。熱處理還可以改善工件的加工工藝性能,從而提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。因此,熱處理在機械制造工業(yè)中起著十分重要的作用。下面以45鋼和40Cr鋼為例。
在生產(chǎn)中將淬火后再進(jìn)行高溫回火稱為“調(diào)質(zhì)處理”,調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能,廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件,特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低,不耐磨。可用調(diào)質(zhì)+表面淬火提高零件表面硬度。
1、45鋼——優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼
45鋼,是GB中的叫法,JIS中稱為:S45C,ASTM中稱為1045,080M46,DIN稱為:C45;45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼,化學(xué)成分:含碳(C)量是0.42~0.50%,Si含量為0.17~0.37%,Mn含量0.50~0.80%,Cr含量<=0.25%。冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低、來源廣,所以應(yīng)用廣泛。它的最大弱點是淬透性低,截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。
45鋼熱處理推薦溫度:正火850,淬火840,回火600.
①.45鋼淬火后沒有回火之前,硬度大于HRC55(最高可達(dá)HRC62)為合格。實際應(yīng)用的最高硬度為HRC55(高頻淬火HRC58)。
②.45鋼不采用滲碳淬火的熱處理工藝。
45鋼的調(diào)質(zhì):45鋼淬火溫度在A3+(30~50)℃,在實際操作中,一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快,表面氧化減少,且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化,就需要足夠的保溫時間。如果實際裝爐量大,就需適當(dāng)延長保溫時間。不然,可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時間過長,也會也出現(xiàn)晶粒粗大,氧化脫碳嚴(yán)重的弊病,影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為,如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定,加熱保溫時間需延長1/5。因為45鋼淬透性低,故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后,應(yīng)該淬透,但不是冷透,如果工件在鹽水中冷透,就有可能使工件開裂,這是因為當(dāng)工件冷卻到180℃左右時,奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此,當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域,就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握,須憑經(jīng)驗操作,當(dāng)水中的工件抖動停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。另外,工件入水宜動不宜靜,應(yīng)按照工件的幾何形狀,作規(guī)則運動。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件,導(dǎo)致硬度不均勻,應(yīng)力不均勻而使工件變形大,甚至開裂。
45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC56~59,截面大的可能性低些,但不能低于HRC48,不然,就說明工件未得到完全淬火,組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織,這種組織通過回火,仍然保留在基體中,達(dá)不到調(diào)質(zhì)的目的。45鋼淬火后的高溫回火,加熱溫度通常為560~600℃,硬度要求為HRC22~34。因為調(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機械性能,所以硬度范圍比較寬。但圖紙有硬度要求的,就要按圖紙要求調(diào)整回火溫度,以保證硬度。如有些軸類零件要求強度高,硬度要求就高;而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件,因調(diào)質(zhì)后還要進(jìn)行銑、插加工,硬度要求就低些。關(guān)于回火保溫時間,視硬度要求和工件大小而定,我們認(rèn)為,回火后的硬度取決于回火溫度,與回火時間關(guān)系不大,但必須回透,一般工件回火保溫時間總在一小時以上。
如果用45鋼滲碳,淬火后芯部會出現(xiàn)硬脆的馬氏體,失去滲碳處理的優(yōu)點。現(xiàn)在采用滲碳工藝的材料,含碳量都不高,到0.30%芯部強度已經(jīng)可以達(dá)到很高,應(yīng)用上不多見。0.35%從來沒見過實例,只在教科書里有介紹。可以采用調(diào)質(zhì)+高頻表面淬火的工藝,耐磨性較滲碳略差。
2、40Cr鋼——合金結(jié)構(gòu)鋼
40Cr屬于GB3077“合金結(jié)構(gòu)鋼”。40Cr鋼的含碳量為0.37%～0.44%,比45鋼略低,Si、Mn的含量相當(dāng),含Cr0.80%～1.10%。在熱軋供貨的情況下,這1%的Cr基本不起作用,它倆的力學(xué)性能大體相當(dāng)。由于40Cr的價格比45鋼貴一半左右,所以出于經(jīng)濟(jì)性的考慮能用45鋼的就不用40Cr。
40Cr鋼的調(diào)質(zhì)處理:Cr在熱處理中的主要作用是提高鋼的淬透性。由于淬透性提高,淬火(或調(diào)質(zhì))處理后40Cr的強度、硬度、沖擊韌性等機械性能也明顯比45鋼高,但也是由于淬透性強,在淬火時40Cr的內(nèi)應(yīng)力也就比45鋼大,同樣的條件下40Cr材料的工件開裂傾向也就比45鋼材料的工件大。因此為避免工件開裂,40Cr淬火時大多選用導(dǎo)熱性較低的油作為淬火介質(zhì)(有時也用雙液淬火法,俗話叫水淬油冷),而45剛則用導(dǎo)熱性較高的水作為淬火介質(zhì)。當(dāng)然,水和油的選擇也不是絕對的,和工件的形狀也有密切關(guān)系。形狀簡單的40Cr零件也可以使用水淬,而形狀復(fù)雜的45鋼零件也許就得使用油淬甚至鹽浴。
40Cr工件調(diào)質(zhì)的淬回火,各種參數(shù)工藝卡片都有規(guī)定,我們在實際操作中體會是:
(1)40Cr工件淬火后應(yīng)采用油冷,40Cr鋼的淬透性較好,在油中冷卻能淬硬,而且工件的變形、開裂傾向小。但是小型企業(yè)在供油緊張的情況下,對形狀不復(fù)雜的工件,可以在水中淬火,并未發(fā)現(xiàn)開裂,只是操作者要憑經(jīng)驗嚴(yán)格掌握入水、出水的溫度。
(2)40Cr工件調(diào)質(zhì)后硬度仍然偏高,第二次回火溫度就要增加20~50℃,不然,硬度降低困難。
(3)40Cr工件高溫回火后,形狀復(fù)雜的在油中冷卻,簡單的在水中冷卻,目的是避免第二類回火脆性的影響。回火快冷后的工件,必要時再施以消除應(yīng)力處理。
中碳鋼熱處理后能夠達(dá)到的最高硬度約為HRC55(HB538),σb為600～1100MPa。所以在中等強度水平的各種用途中,中碳鋼得到最廣泛的應(yīng)用,除作為建筑材料外,還大量用于制造各種機械零件。而中碳鋼只要溫度夠,保溫時間夠一般都是可能達(dá)到這個硬度值的,要是不變形是不可能的事。建議一是有加工余量,然后上磨床加工,二是表面淬火。
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