合金钢及其热处理工艺.doc

合金钢及热处理工艺第一篇 结构钢各类结构钢的含碳量及热处理方法钢的类型C/%热处理主要性质调质钢0.25~0.50淬火+高温回火S b=800~1200 MN/m2渗碳钢0.10~0.25渗碳+淬火+低温回火HRC58~62 （表面）弹簧钢0.50~0.75淬火+中温回火S b=1000~1800 MN/m2S s/S b=0.8~0.9轴承钢0.90~1.20淬火+低温回火HRC61以上第一节 调质钢调质钢分低淬透性调质钢 中淬透性调质钢高淬透性调质钢一、低淬透性调质钢油淬临界直径最大为30~40mm,合金元素种类少，总含量不大于 2.5%,常用的有铬钢、锰钢、铬硅钢和含硼钢女口 30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、30Mn2、 35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、42Mn2V、40MnB 等（一） 40Cr过热倾向不大，淬火性较好，回火稳定性较高，经调质后能获得较高的综合机械 性能因此它是应用最广的调质钢之一40Cr有两种加工路线；1）硬度较高（HB341~451）锻造-正火（退火）-加工-调质2）硬度较低（HB255~285）锻造-调质-加工调质前是否进行正火或退火，关键在于锻造的掌握上，掌握得好，可以从略。

淬火温度 水淬830~850C ；油淬850~870C40Cr也可以制造经表面硬化处理的零件，如气体碳 氮共渗，感应加热二） 45Mn2能促进钢的晶粒长大，显著提高钢的淬透性， 45Mn2有较敏感的回火脆性，高 温回火后要快冷（水或油中冷却）淬火温度810~840C，油淬三） 硅锰钢硅全部溶入铁素体，固溶强化效果显著，但含量过多（＞ 2%）将会较多地降 低塑性和韧性硅能提高淬透性，单一不明显，与锰或铬复合加入，效果显著但与 锰或铬共存，回火脆性敏感此外，含硅的钢易产生脱碳现象常用的有35SiMn和42SiMn，它们既没有锰钢那样容易过热，也没有硅钢那样容 易脱碳，但高温回火后必须快冷四） 含硼调质钢 硼突出的作用是提高淬透性，并且加入量很少（0.0005~0.001%）时就 效果显著，当有效硼在0.001%以下时，淬透性随含硼量增加增加，当超过0.001%,淬透性 保持不变，超过0.003%冲击韧性下降，即”硼脆”超过0.007%引起热脆性，增加热加工困难.含硼量一般都控制在 0.0005~0.0035%可代替 1.6%Ni、0.3%Cr、0.2%Mo、0.2~0.7%Mn 的作用.微量硼对钢的过热倾向与回火脆性倾向略有增大的作用 ，而对回火稳定性则无影响.在淬火冷却时，硼有促进未淬透部分出现针状铁素体的作用，使钢的韧性降低， 40MnB 锻造后，为改善组织，提高切削性，进行预先热处理，通常采用正火，而不是 退火，以防止硼相析出造成硼脆。

正火的温度在 850~900C，空冷40MnB的淬透性和调质后的机械性能与 40Cr 相当，切削性良好二、 中淬透性调质钢这类钢油淬直径约40~60mm，通常是含有两种以上合金元素的合金钢，如铬镍钢、 铬锰钢、铬钼钢、铬锰硅钢等一） 铬镍钢1．镍在钢中的作用 其一在提高强度的同时，不降低塑性和韧性，甚至还有提高；其二， 降低脆性转变温度，获得良好的低温韧性镍单独加入钢中，对提高淬透性作用不大， 与铬同时加入却显著增加钢的淬透性，并获得良好的综合机械性能2．40CrNi 钢 铬的含量虽然不及 40Cr 钢多，但由于铬、镍的共同作用，其淬透性远较 40Cr 高， 40CrNi 钢过热敏感性较小，回火稳定性较高第二类回火脆性较严重，在 450~550C回火时，必须快冷预先热处理多用完全退火，加热温度一般取 820~850C之间，经保温后炉冷至 600C出炉空冷预先热处理也可采用正火加高温回火，正火温度 870~900C，回火温度在600~700C之间，回火后油冷二） 铬锰硅钢 特点：铬锰钢机械性能接近铬镍钢，但过热倾向较大，低温冲击韧性也较差，故应用不多 在铬锰钢基础上加入 1%左右的硅， 构成了铬锰硅钢， 硅的加入提高了强度而不 降低韧性。

因此铬锰硅钢的最大优点是在高强度下，具有足够的韧性此外，还具有良 好的焊接性，缺点是回火脆性很敏感， 各向异性和脱碳倾向也较明显 常用的有 30CrMnSi 30CrMnSi 是一种高强度的调质钢， 常用作重要零件或焊接构件， 如高压鼓风机叶片、 阀板等三） 铬钼钢 铬钢中加入微量的钼可以消除钢的回火脆性，并能防过热，进一步提高淬透性铬和钼同时加入使钢调质后能获得较高的强度和冲击韧性此外，钼还具有较好的抗回火 能力和抗蠕变能力，提高钢的耐热性因此，铬钼钢是一种具有良好的常温和高温综合 机械性能常用的35CrMo，调质后综合机械性能良好，淬透性较高，高温下有一定的强度，长期工作温度可达500E，因此常用来制造承受冲击、震动、弯曲、高负荷、大截面的 重要零件，或强度要求高的、长期在高温（＜500 E）下工作的零件也可用作较高强度 的焊接件，此外，也用作渗氮零件三、 高淬透性调质钢油淬临界直径大于 60~100 mm,属于多元合金钢主要有铬镍钼钢、硅锰钼钒硼钢、 铬锰钼硼钢和硅锰钼钨钒钢，以及含镍更高的铬镍钢等一） 铬镍钼钢在中碳铬镍钢中添加钼，可抑制回火脆性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和 回火稳定性，减少过热倾向，并进一步提高淬透性和回火稳定性，使钢在调质后能获得 很高的强度和韧性，所以铬镍钢是一种性能优良的钢种。

常用的是 40CrNiMo ，它淬透性高，强度高，室温及低温韧性都良好，可用于制造强度高、截面较大或在很低温度下 工作要求高韧性的重要零部件，如轮机轴、连杆等一般情况对回火脆性不敏感，但对 大截面零件，高温回火后还要在水中或油中冷却，否则冲击韧性将会降低二）不含铬镍的高淬透性调质钢由于铬镍比较稀缺面贵，所以研究出一些代替 40CrNiMo 的新钢种主要有： 30SiMn2MoV 、 37SiMn2MoWV 等，利用硅、锰、钼、钨等元素的适当配合，获得高淬 透性、高强度和高的韧性钢中的钒，主要是为了细化晶粒，钼、钨、钒还可增加高温 回火稳定性，从而提高强度此外，钼、钨皆减少回火脆性倾向四、含铝渗氮专用钢 渗氮用钢是专门用来制造高硬度、特别耐磨的、需经氮化处理的机器零件的钢普 通碳钢是不能作为渗氮用钢，只有那些含有一定的合金元素，能够在渗氮过程中形成稳 定性很高的氮化物，且有较高淬透性和回火稳定性的合金钢才能够作为渗氮用钢目前 应用最广的和最成熟的只有 38CrMoAlA 一种铝与氮有较强的亲和力， 能形成稳定的和 高硬度的并且具有高红硬性的氮化物，从而获得高耐磨性的表面铬在钢中主要是增大 钢的淬透性，提高强度，改善钢件心部的性能。

至于钼的作用，主要是防止长期渗氮过 程中引起的回火脆性，并提高钢的淬透性铝在钢中有升高临界点、减缓奥氏体形成和 均匀化过程（含铝的铁素体稳定性较高）的作用，因此， 38CrMoAlA 淬火的加热温度要 高（一般在900C以上），保温时间也要长（约为一般使金结构钢的 1.5倍）此外，铝及 钼在钢中均增大脱碳倾向，加热时要多加注意 38CrMoAlA 淬透性并不高，油淬时，其 临界直径只有 30mm第二节 渗碳钢一、化学成分特点含碳量 含碳量的高低， 主要是根据渗碳件心部的强度和韧性的要求来确定的， 这适 应零件在使用条件下可能受到较大冲击载荷的情况，一般都控制在 0.1~0.2%的范围内合金元素 加入合金元素的目的，在于增大淬透性，细化晶粒，改善渗碳性能1 ．增大淬透性 如铬、镍、锰、钼等2•奥氏体晶粒 渗碳温度高达900~950C，时间长达10h以上，因此有心要加入一 些能减少奥氏体晶粒长大倾向的元素来细化晶粒这些元素多属于强的或较强的碳化物 形成元素，如钛、钒、钨、钼等2．获得良好的渗碳性能 （包括表面碳量适当，过度层平缓，渗碳速度快等到）常用渗碳钢一、低淬透性渗碳钢 合金元素总含量在 2%以下，淬透性和强度都较低，常用的有 铬钢和锰钢，（一）铬钢 20Cr 应用较广，铬的加入，主要是提高淬透性，溶于铁素体中的铬 又能强化铁素体，可提高心部的强度，淬火时可用油作冷却剂，减少变形，铬和碳的亲 和力较强，在渗碳时，能强烈地促进表面渗碳，使碳浓度增大。

但使渗碳层容易形成网 状碳化物故20Cr渗碳时，最好选择较缓和的渗碳剂和较低的渗碳温度（900~920C） 铬虽可减少钢的过热倾向，但在900~950C长时间渗碳，心部晶粒仍有明显长大，故20Cr 钢不宜直接淬火20Cr钢淬透性不大，油淬在16mm以下才能淬透加入0.1~0.2%勺钒， 成为 20CrV 钢，钒可使钢在渗碳时晶粒不易长大，获得细晶粒，从而提高心部的强度、 韧性和表面的耐磨性，并可在渗碳后直接淬火二）锰钢 像铬一样，锰能强烈地提高淬透性和强化铁素体，因此，出现了以锰 代铬的渗碳锰钢，常用的是 20Mn2从淬透性来看，20Mn2比20Cr钢还好从渗碳速 度和对渗碳层碳的浓度梯度的影响来看，也没有不利影响，并且还可使渗碳层不易出现 反常组织但容易过热，因此，应用较低的渗碳温度，常用 900~930C，为了细化晶粒，渗碳可重新加热淬火，或进行两次淬火为了细化晶粒，在锰钢中加入少量的钒（0.07~0.12%），形成锰钒钢 如 20MnV ，渗碳后可直接淬火， 强度、韧性、塑性比 20Mn2 好，但淬透性较差二、 中淬透性渗碳钢合金元素总含量约在2~5%，淬透性和强度较高（抗拉强度在1000~1200MN/m2）常 用的有铬锰钢、铬锰钛钢、铬锰钼钢、铬镍钢等。

一） 铬锰钛钢 铬与锰是强烈提高淬透性和强化铁素体的元素，但铬锰系钢过热倾向较大，渗碳时，晶粒会显著长大在铬锰钢的基础上加入少量（ 0.06~00.12%）的钛元素,形成铬锰钛钢,渗碳后，可直接淬火如20CrMnTi，由于铬锰的复合作用，渗碳速度 较快，渗碳后渗碳层表面含碳量适中，过渡层均匀，浓度梯度平缓 20CrMnTi 是本质细 晶粒钢，过热倾向小，渗碳后，经预冷可直接淬火二） 含硼渗碳钢 是在渗碳锰钢的基础上，加入硼和钛或钒而发展起来的，如； 20Mn2TiB、20MnVB 、及 20SiMnVB 等，是为了代替 20CrMnTi 钢以节约铬的消耗硼 对渗碳性能的影响很小，它在渗碳钢中的主要作用仍然是增大淬透性，三、 高淬透性渗碳钢合金元素总含量大于 5%在低温回火状态下，具有很高的强韧性，抗拉强度高于 1300MN/m2，有 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 和 20CrMoVB12Cr2Ni4A 钢含铬镍量较高，属于半马氏体钢，具有很高的淬透性、强度及韧性， 常用来制造尺寸较大的重要渗碳零件，此钢有明显的回火脆性倾向（在 200~400C ）和形成白点倾向，予以注意18Cr2Ni4WA 由于有较多的铬、镍、钨元素，它们的复合作用抑制了过冷奥氏体 向珠光体转变，使此类钢在任何截面情况下，空冷都可获得马氏体或贝氏体或两者的混 合组织，属于马氏体类钢，具有很高的淬透性。

综合机械性能也很好，特别是低温冲击 韧性相当高，故是一种高级的渗碳钢由于其中有镍的存在，渗碳后，表层很少出现粗大碳化物，碳浓度分布平缓，不但硬度和耐磨性很高，而且抗疲劳性能也很好但是，由于合金元素含量较多，渗碳后 Ms降至80C, Mf处于零度以下，淬火后，产生大量残 余奥氏体为了减少渗碳层中的残余奥氏体量，可采取两种措施：其一，在渗碳淬火之 后，接着进行冰冷处理（-70~-80°C, 60min）,最后再进行低温回火。