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调质钢

调质钢,一般是指含碳量在0.3-0.6-的中碳钢。一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能,即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性,人们往往使用调质处理来达到这个目的,所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。各类机器上的结构零件大量采用调质钢,是结构钢中使用最广泛的一类钢。

调质钢指淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。经调质处理后,钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。

调质钢的成分是含碳0.25-~0.5-碳素钢或低合金钢和中合金钢,调质处理后的金相组织是回火索氏体。各类机器上的结构零件大量采用调质钢,是结构钢中使用最广泛的一类钢。应用最广的调质钢有系调质钢(如40Cr、40CrSi)、铬锰系调质钢(如40CrMn)、铬系调质钢(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含调质钢等。

碳含量0.3~0.5-,并含有一种或几种合金元素,具有较低或中等的合金化程度。钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。

热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体,并在500℃~650℃回火。热处理后的金相组织是回火索氏体。这种组织具有强度、塑性和韧性的良好配合。

除一般的冶金方面的低倍和高倍组织要求外,主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。在特定条件下,还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。由于调质钢最终采用高温回火,能使钢中应力完全消除,钢的氢脆破坏倾向性小,缺口敏感性较低,脆性破坏抗力较大,但也存在特有的高温回火脆性。

大多数调质钢为中碳合金结构,屈服强度在490~1200Mpa。以焊接性能为突出要求的调质钢,为低碳合金结构钢,屈服强度一般为490~800Mpa,有很高的塑性和韧性。少数沉淀硬化型调质钢,屈服强度可到1400Mpa以上,属高强度和超高强度调质钢。

常用的合金调质钢按淬透性和强度分为4类:

①低淬透性调质钢;

②中淬透性调质钢;

③较高淬透性调质钢;

④高淬透性调质钢。

以下是两种典型的调质钢:

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。

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。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,如装炉量大于工艺文件的规定,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。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,达不到调质的目的。

45钢淬火后的高温回火,加热温度通常为560~600℃,硬度要求为HRC22~34。因为调质的目的是得到综合机械性能,所以硬度范围比较宽。但图纸有硬度要求的,就要按图纸要求调整回火温度,以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高,硬度要求就高;而有些齿轮、带键槽的轴类零件,因调质后还要进行、插加工,硬度要求就低些。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。

1、用途

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。

2、性能要求

调质件大多承受多种工作载荷,受力情况比较复杂,要求高的综合机械性能,即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同,对淬透性的要求不一样。

3、成分特点

(1) 中碳:碳质量分数一般在0.25-~0.50-之间,以0.4-居多;

(2) 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等:这些合金元素除了提高淬透性外,还能形成合金铁素体,提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多;

(3) 加入防止第二类回火脆性的元素:含Ni、Cr、Mn的合金调质钢,高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性,其适宜含量:Mo的质量分数为0.15-~0.30-,或W的质量分数为0.8-~1.2-。 [1]

1、合金元素对力学性能的影响

淬透性能相同的钢调质到相同硬度时,抗拉强度基本相同,硬度与抗拉强度大致成直线关系。

各种成分的合金钢调质到各种硬度值时,硬度值为400HB(抗拉强度约为1400MPa)时,屈强比值最高,约为0.9,淬火状态的组织对屈强比有很大影响。

调整增加钢材淬透性的合金元素的含量,可以得到相同的淬透性能,得到相同的抗拉强度和屈服强度。因此,在选择合金元素时应优先选择增加淬透性能作用显著而价格较低的元素,如硼、锰、铬等。但是合金元素不同的钢要调质到相同的硬度所采用的回火温度各不相同,即各种钢的抗回火性能不同。

淬透性能相同的钢调质到相同硬度时,抗拉强度和屈服强度虽基本相同,但是脆性破坏倾向差别很大,低温冲击试验尤为明显。成分不同的钢调质后硬度与疲劳极限的关系不同。硬度在35HRC以下时疲劳极限和硬度成直线关系,疲劳极限的波动范围为130MPa。硬度超过35HRC时,疲劳极限的波动范围变宽。如硬度为55HRC时,疲劳极限的波动范围达380MPa。

2、调质零件硬度的确定

零件的淬透情况相同时,调质后的硬度即可反映零件的屈服强度与抗拉强度,因此零件图纸和技术条件一般只规定硬度数值。只有很重要的零件才规定其他力学性能指标。

调质零件硬度的确定,必须考虑到制造工艺的要求和使用时的载荷条件。从制造工艺考虑,希望零件在毛坯状态调质,而后进行切削加工和装配。这样零件热处理时产生的变形和脱碳在以后的切削加工中加以消除。但是采用这种制造程序的零件,其硬度不能过高,一般不超过300HB,个别的不超过350HB,否则对切削加工不利。要求硬度更高的零件(如有的汽车半轴要求硬度为341~415HB),只能先切削加工,然后再进行调质处理,这时零件加热时应防止脱碳和变形,有时热处理后要增加校直工序。小批量或单件生产的零件,切削加工所允许的硬度可以适当提高。

确定调质零件硬度时还必须考虑到生产的特点,小批单件生产的产品,不同零件可以选定不同的硬度,大批量流水生产的工厂希望大部分零件的硬度范围一致或固定在几个硬度范围内,这对组织热处理生产有很大的方便。

从零件使用角度考虑,确定调质零件的硬度时要注意到零件的工作条件和零件的形状。一般的讲,硬度值高,抗拉强度、屈服强度和光滑样品的疲劳强度都高,但是塑性指标降低,脆性破坏倾向和应力集中的敏感性增加,因此,当零件上有起应力集中作用的缺口时,为使应力分布均匀、减少应力集中现象,这时较低的硬度反而可以获得较高的疲劳性能。

调质工件在淬火前的理想组织应为细小均匀的铁素体加珠光体,这样才能保证在正常淬火工艺下获得良好的淬火组织细小的马氏体。

钢材在热加工或热处理时,表面因与炉气作用而形成脱碳层。脱碳层的特征是表面铁索体量相对心部要多或表面全部为铁素体,从而使工件淬火后出现铁素体或托氏体组织,回火后硬度不足,耐磨性和疲劳强度下降。因此,调质工件淬火后不允许有超过加工余量的脱碳层。试样的磨面必须垂直脱碳面,边缘保持完整,不应有倒角。试样的侵蚀剂用硝酸酒精溶液[ (99~95 mL)工业酒精+(1~5 mL)硝酸( HNO3)]即可。脱碳层的具体测量方法可按GB/T 224-2008标准进行。

调质钢正常淬火组织为板条状马氏体+少量针状马氏体。当含碳量较低时,如30CrMo,淬火形态特征趋向于低碳马氏体。当含碳量较高,如50CrV,淬火形态特征趋向于高碳马氏体。如果淬火加热温度过低或保温不足,奥氏体未均匀化或淬火前预先热处理不当,未使原始组织变得细匀一致,导致工件淬、回火后的组织为回火索氏体和未溶的铁素体。如果淬火加热温度正常,且保温时间足够,但冷却速度不够,以致不能淬透,结果沿工件截面各部位将得到不同的组织,即从表层至中心依次出现马氏体、马氏体和托氏体、托氏体和铁素体等组织。

当工件淬火温度正常,保温时间足够,且冷却速度也较大,过冷奥氏体在淬火过程中未发生分解,那么淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。在随后的高温回火过程中,马氏体中析出碳化物,最终得到的是均匀且弥散分布的回火索氏体。 [2]

1、中碳钢:代表钢种有30、35、40、45,也有ML30、ML35、ML40、ML45,有较稳定的室温性能,用于中小结构件、紧固件、传动轴、齿轮等。

2、锰钢:代表钢种40Mn2、50Mn2。有过热敏感性、高温回火脆性水淬易开裂,淬透性较碳钢高。

3、硅锰钢:代表钢种35SiMn、42SiMn。疲劳强度高,有脱碳和过热敏感性及回火脆性。用于制造中速、中高等负荷但冲击不大的齿轮、轴、转轴、连杆、蜗杆等,也可制造400℃以下紧固件。

4、硼钢:代表钢种40B、45B、50BA、ML35B。淬透性高,综合机械性能高于碳钢,与40Cr相当用于制造截面尺寸不大的零件、紧固件等。

5、锰硼钢:代表钢种40MnB。淬透性稍高于40Cr,高的强度、韧性及低温冲击韧性,有回火脆性。40MnB常用来代替40Cr制造大截面零件,代替40CrNi制造小件;45MnB代替40Cr、45Cr;45Mn2B代替45Cr和部份代替40CrNi、45CrNi作重要的轴,也有ML35 MnB用于紧固件生产。

6、锰钒硼钢: 代表钢种20 MnVB 、40MnVB、。调质性能和淬透性优于40Cr,过热倾向小,有回火脆性。常用来代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi制造重要的调质件,也有用中小规格10.9级以下螺栓的、ML20 MnVB。

7、锰钨硼钢:代表钢种40MnWB。良好的低温冲击性能,无回火脆性。与35CrMo、40CrNi相当,用于制造70mm以下的零件。

8、硅锰钼钨钢: 代表钢种35SiMn2MoW。有较高的淬透性,以50-马氏体计算,水淬直径180,油淬直径100;淬裂倾向、回火脆性倾向小;具有高强度和高韧性。可代替35CrNiMoA、40CrNiMo,用于制造大截面、重负荷的轴、连杆及螺栓。

9、硅锰钼钨钒钢:代表钢种37SiMn2MoWVA。水淬直径100,油淬直径70;良好的回火稳定性、低温冲击韧性,较高的高温强度,回火脆性也较小,用于制造大截面的轴类零件。

10、铬钢: 以40Cr及ML40Cr为代表。淬透性较好,水淬28-60mm,油淬15-40mm。较高的综合机械性能,良好的低温冲击韧性,低的缺口敏感性,有回火脆性。用于制造轴、连杆、齿轮及螺栓。

11、铬硅钢: 代表钢种38CrSi。淬透性优于40Cr,强度和低温冲击较高,回火稳定性较好,回火脆性倾向较大。常用于制造30-40mm的轴、螺栓以及模数不大的齿轮。

12、铬钼钢:代表钢种30CrMoA、42CrMo、ML30CrMo、ML42CrMo。水淬30-55mm,油淬15-40mm;高的室温机械性能和较高的高温强度,良好的低温冲击;无回火脆性。用于制造截面较大的零件,高负荷的螺栓、齿轮及500℃以下的法兰盘、螺栓;400℃以下的导管、紧固件。42CrMo淬透性较30CrMoA高,用于制造强度更高、截面更大的零件。

13、铬锰钼钢:代表钢种40CrMnMo。油淬直径80mm,具有较高的综合机械性能,回火稳定性好。用于制造截面较大的重负荷齿轮及轴类零件。

14、锰钼钒钢:代表钢种30Mn2MoWA。具有良好的淬透性:水淬达到150mm,心部组织为上、下贝氏体加少量马氏体;油淬70mm,心部95-以上的马氏体;良好的低温冲击韧性,低的缺口敏感性及较高的疲劳强度。用于制造80mm以下的重要件。

15、铬锰硅钢:代表钢种30CrMnSiA。水淬40~60mm(95-的马氏体),油淬25~40mm。强度、冲击韧性高,有回火脆性。用于制造高压鼓风机叶片、阀板、离合器摩擦片、轴及齿轮等。

16、铬镍钢: 代表钢种40CrNi和45CrNi。水淬达到40mm,油淬15~25mm;良好的综合机械性能,良好的低温冲击韧性,回火脆性倾向小。30CrNi3A淬透性较高,综合机械性能好,有白点敏感性和回火脆性。用于制造截面较大的曲轴、连杆、齿轮、轴及螺栓等。

17、铬镍钼钢:代表钢种40CrNiMoA。具有优良的综合机械性能,低温冲击韧性高,缺口敏感性低,无回火脆性。用于制造较大的曲轴、轴、连杆、齿轮、螺栓及其它受力较大、形状复杂的零件。

18、铬镍钼钒钢: 代表钢种45CrNiMoVA。强度高,回火稳定性好,油淬达到60mm(95-马氏体)。用于制造振动载荷下的重型汽车弹性轴及扭力轴等。

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