钢的热处理基本工艺.doc

目 录

一、 程设计任务与性质………………………………………….3

二、课程设计目……………………………………………….3

三、设计内容与基本规定………………………………………….3

四、设计环节…………………………………………………………3

4、1 方案拟定……………………………………………………………………3

4、2 热加工………………………………………………………………………6

4、3 热解决工艺设计………………………………………………………………….7

五 、实验设备………………………………………………………..16

六 、参照文献……………………………………………………….16

一、 程设计任务与性质
《金属热解决原理与工艺》课程是一门重要专业课程，金属材料热解决工艺设计级实验操作时一种重要教学环节，通过金属材料热解决工艺金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热解决实验办法、原理及有关设备，运用热解决基本原理和普通规律对实验成果进行分析讨论，有助于强化学生解决问题、分析问题能力。
二、 课程设计目
1、 课程设计属于《金属热解决原理与工艺》课程延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热解决工艺设计普通规律和办法。
2、 培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热解决及构造工艺等有关知识，进行工程设计能力。
3、 培养使用手册、图册、关于资料及设计原则规范能力。
4、 提高技术总结及编制技术能力。
5、 是金属材料工程专业毕业设计教学环节实行技术准备。
三、 设计内容与基本规定
设计内容：独立完毕38CrMoAl钢热解决工艺设计，涉及工艺办法、路线、参数拟定，热解决设备及操作，金相组织分析，材料性能检测等。
基本规定：
1、 课程设计必要独立进行，每人必要完毕不同某一种钢材热解决工艺设计，可以较清晰地表达所采用热解决工艺基本原理和普通规律。
2、 合理地拟定工艺办法、路线、参数，合理选取热解决设备并对的操作。
3、 对的运用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。
4、 对的运用当代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。
5、 课程设计阐明书力求用工程术语，文字通顺简洁，笔迹工整，图像清晰。
四、 设计环节
4、1 方案拟定
1、38CrMoAl 高铝合金构造钢简介
牌号：38CrMoAl
38CrMoAl 是合结钢其中一种，国内执行原则GB/T3077- 1999。38CrMoAl 是一种专用氮化钢，通过热解决和精加工后38CrMoAl 圆钢具备很高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，并具备良好耐热性及腐蚀性。解决后尺寸精度高,普通38CrMoAl 氮化后表面硬度在920HV 以上,预解决为调质(普通调质硬度规定≥260HB，如262~302HB)。38CrMoAl 氮化速度较快，可以得到较深氮化层深度，但氮化层脆性相对较大，淬透性不高，因而不太适合制作承受冲击很大零件。国外普通不推荐含铝氮化钢用于重要重载齿轮。
38CrMoAl用途
　　38CrMoAl合结钢是一种耐海水腐蚀专用钢材。
　　A、38CrMoAl合结钢材料，重要用来制作管道及设备。具备很强耐腐蚀性，安装也很以便等长处。
　　B、能耐腐蚀因素：
　　(1)38CrMoAl合结钢材料中Al（铝），能与空气中O（氧）化学反映生成Al2O3（三氧化二铝）.从而行成保护膜，既防腐又耐腐。
　　(2)38CrMoAl合结钢中Cr（铬），Mo（钼），离子在海水中能自动补充Cl（氯）离子对钢材点腐蚀形成空隙，形成致密保护层，制止点腐蚀向纵深发展。进而起到耐腐，使使用寿命加长。
　　C、焊接
　　38CrMoAl无缝钢管材料焊接性能较好，配有专用耐腐焊条“海O3”，无特殊焊接规定。
　　D、应用举例
　　38CrMoAl无缝钢管材料，是沿海电厂，沿海油田，沿海天然气及石化厂输送水，油气及含海水介质最抱负管路及加工件制作材料。
38CrMoAl是专用氮化钢,普通仅用于需要表面高度耐磨经氮化解决零件,普通氮化后表面硬度在920HV以上,预解决为调质(普通调质硬度规定 ≥260HB,如262~302HB)。38CrMoAl氮化速度较快，可以得到较深氮化层深度，但氮化层脆性相对较大，因而不太适合制做曾受冲击很大零件。国外普通不推荐含铝氮化钢用于重要重载齿轮（建议采用Cr-Mo-V等类氮化钢）。
2、化学成分
　　碳 C ：0.35～0.42 硅 Si：0.20～0.45
　　锰 Mn：0.30～0.60 硫 S ：容许残存含量≤0.035
　　磷 P ：容许残存含量≤0.035 铬 Cr：1.35～1.65
　　铝 Al：0.70～1.10 镍 Ni：容许残存含量≤0.030
　　铜 Cu：容许残存含量≤0.030 　钼 Mo：0.15～0.25
3、力学性能：
　　抗拉强度 σb (MPa)：≥980(100)
　　屈服强度 σs (MPa)：≥835(85)
　　伸长率 δ5 (%)：≥14
　　断面收缩率 ψ (%)：≥50
　　冲击功 Akv (J)：≥71
　　冲击韧性值 αkv (J/cm2)：≥88(9)
　　硬度 ：≤229HB
4、物理性能
1、临界点
临界点
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
温度（近似值）℃
760
885
675
740
360

5、锻造工艺
加热温度℃
开锻温度℃
终锻温度℃
冷却方式
1180～1200
1050～1100
≥850
缓冷

6、热解决工艺
项目
退火
正火
淬火
回 火
温度℃
840～870
930～970
940
150～200
300～400
500～550
600～650
冷却
炉冷
空冷
油
水或油
水或油
水或油
水或油
硬度HRC
≤229HB
——
＞56
56～51
51～45
39～35
31～28
4、2 热加工
实验导轨型号有两种，即LG25 型，外形尺寸23 mm22. 5mm760mm；LG30 型，外形尺寸28mm27. 5mm760mm。导轨如图1 所示，其中无括号数字为LG25 型尺寸，括号内数字为LG30 型尺寸。

离子氮化导轨用材为38Cr MoAl A 钢，毛坯为热轧棒材，直径分别为40 mm 和50mm，经切削加工成形。导轨氮化技术条件： 表面硬度≥650HV ，氮化层深度≥0. 4mm，脆性≥2 级，变形量检查办法和允差见图2 、图3 和附表。

热解决规范：淬火940℃,油冷;回火640℃,油冷。硬度26~30HRC用压力机校直后去应力退火：550 ℃ 6小时，加工至成品尺寸。
渗氮解决：第一阶段，510到520摄氏度，氨分解率18到25%，20个小时，
第二阶段，550到560摄氏度，氨分解率40到60%，30个小时，退氮2小时，560到570摄氏度，退氮不不大于80%，低于200摄氏度出炉。
4、3 热解决工艺设计
热解决目是变化钢内部组织构造，以改进钢性能，通过恰当热解决可以明显提高钢机械性能，延长机器零件使用寿命。热解决工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、减少构造重量、节约能源，并且可以提高机械产品质量、大幅度延长机器零件使用寿命。
热解决三个阶段：加热、保温和冷却。
五个要素：加热介质、加热速率、加热温度、保温时间和冷却速率（如下图所示）。
时间（h）
温度(℃)
加热
v加
保温t加
冷却V冷
τ保

1、预先热解决
毛坯选用两种预先热解决工艺，即退火和调质。退火工艺： 870 ℃ 保温2h，炉冷至500 ℃ 如下出炉空冷。硬度≤229HBW。调质： 930 ～940 ℃ 保温1. 5h，油冷淬火；随后680 ℃回火3h，空冷。硬度25 ～28HRC。经预先热解决毛坯，在粗加工工序后，进行第一次去应力退火。在精加工工序完毕后，再进行第二次去应力退火。去应力退火工艺( 两次退火工艺均相似) ： 温度650 ℃保温2h，炉冷至250 ℃如下出炉。
2、毛坯离子氮化实验成果及其分析
( 1) 离子氮化工艺规范 供毛坯氮化用设备为额定输出直流电流为30A 立式离子氮化炉。氮化温度和时间分别为： 530 ℃/ 8h、550 ℃/ 15h、550 ℃/ 22h 和560 ℃/ 10h。
( 2) 氮化层组织、表面硬度及硬度梯形38CrMoAl A 钢经530 ℃/ 8h 离子氮化后，渗层组织由表及里依次为→+ ′→+ ′→心部组织。其特性是：最表层厚度0. 02 ～0. 03mm 白亮色化合物层，即相。紧靠白亮色化合物层次表层，浮现脉状组织，厚度0. 01 ～0. 15mm，相成分为+ ′。往后是扩散层，相成分是+ ′。再往里是心部组织。在金相分析中还可以看到，氮化前金相组织和氮化工艺参数对氮化后脉状组织含量有较大影响。退火组织在氮化过程中形成脉状组织倾向比调质组织大得多，并且氮化温度越高，氮化时间越长，均增进脉状组织形成。
经不同预先热解决38CrMoAl A 钢于540 ～560 ℃离子氮化22h，硬度沿氮化层分布如图4 所示。

由图4 可以看到，经上述工艺解决后，氮化层深度保持在0. 50mm 以上。氮化层硬度梯度与预先热解决关于。在相似离子氮化工艺条件下，退火状态导轨约0. 2mm外表层硬度比调质状态高，离表面0. 1mm 处，退火状态硬度高于800HV100 ，而调质状态此处硬度仅保持650HV100 ；离表面0. 15mm 处，退火状态硬度依然高于700HV100 ，但调质状态此处硬度已低于600HV100。
预先热解决对变形影响 分别经退火和调质预先热解决LG25 型导轨，在相似工艺参数下( 550 ℃/ 15h) 进行离子氮化。成果发现，不论是退火还是调质导轨，对氮化导轨B 面变形没有多大影响，弯曲量维持在0. 050 ～0. 060mm范畴内，但对A 面变形影响很大，退火导轨氮化后A 面相对最大弯曲量已达到0. 4mm，而调质导轨弯曲量更大，竟达1. 8～1. 9mm。

预先热解决对变形影响如此明显，与预先热解决组织稳定性关于。退火组织接近于平衡组织，在氮化过程中基体组织处在较稳定状态，故氮化后导轨变形较小。调质导轨则不同，它基体组织回火索氏体处在亚稳状态。虽然氮化温度低于调质时回火温度，也低于去应力退火温度，但在氮化长时间保温过程中，碳原子获得能量进行扩散汇集，力图向平衡状态过渡。这一过程对导轨应力状态变化显然比退火强烈得多，因而，调质导轨氮化变形比退火导轨大是预料之中状况。
38CrMoAl(热轧后退火)金相图

图1(200×) 图2(100×)
工艺状况：热轧后退火
浸蚀办法：图1：未浸蚀；图2：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织阐明：图1：由表面向内45度方向发展裂纹，开口宽、尾细、缝内有氧化物。图2：同一试样浸蚀后可见裂纹两侧严重脱碳-为铁素体组织，基体组织为珠光体和铁素体。此种裂纹为锻造折迭，在随后热解决过程中会扩展，两侧会氧化脱碳。
2 、38CrMoAl正火

正火温度38CrMoAl：930~970℃细珠光体+块状铁素体+少量索氏体。浮现异常组织与冷速关于
38CrMoAl正火照片

珠光体+铁素体。
工艺状况：锻造后正火解决
浸蚀办法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织阐明：粒状贝氏体、黑色块状区域珠光体以及白色小块状铁素体。晶粒度约为5～6级。38CrMoAlA是一种渗氮用钢。渗氮层综合性能，特别脆性与原始组织晶粒大小密切有关。因而，渗氮前普通均采用正火工艺细化晶粒，再调质解决。由于该试样锻造组织偏析明显，各区域成分偏差致使各区域临界点不同，加热及冷却过程中必然发生不同组织转变。
3 、38CrMoAl淬火、回火

38CrMoAl（渗碳后淬火、回火）金相图

图1(400×)
工艺状况：渗碳后淬火、回火解决
浸蚀办法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织阐明：齿顶处渗碳层组织形貌，粗针状马氏体(6级)，残存奥氏体(5级)，以及少量小块状碳化物(1级)。
表面硬度：713～754HV1，(相称于61.0HRC)。
心部硬度：490～511HV1。
有效硬化层深度DC9.802/600=0.46mm。
本试样为过热组织，作为齿轮，抗疲劳性能较差。
4 、38CrMoAl渗氮
渗氮前解决
　　在渗氮零件整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序，至多再进行精磨或研磨。渗氮零件工艺流程普通为：锻造→正火（退火）→粗加工→调质→精加工→去应力→精磨→渗氮→精磨→装配。
　　氮化前预热解决涉及正火（退火）、调质解决、去应力。
　　a．正火（退火），其目是细化晶粒、减少硬度、消除锻造应力。
　　b．调质解决，可以改进钢加工性能，获得均匀回火索氏体组织，以保证零件心部有足够强度和韧性，同步又能使渗氮层和基本结合牢固。
　　c．去应力解决，对于形状复杂精密零件，在渗氮前应进行1~2次去应力，以减少渗氮过程中变形。
渗氮前生产准备
　　a．去污解决。零件装炉前要用汽油或酒精进行脱脂、去污解决，零件表面不容许有锈蚀及脏污。
　　b．防渗解决。对零件非渗氮某些，可用电镀或涂料法进行防渗氮解决。
　　c．渗氮件表面质量应良好，不容许有脱碳层存在，因而，零件在预先热解决前应留有足够加工余量，以便在渗氮前机加工能将脱碳层所有去除，以保证渗氮层质量。
　　d．装炉前检查设备和渗氮夹具、电系统、管道、氨分解测定仪等应保证正常使用；渗氮夹具不容许有赃物或氧化皮，如有应清除。
　　e．随炉试样。随炉试样应与渗氮零件通材料并通过同样预先解决。
（1）氮化温度  普通为500 ℃～600 ℃。氮化时间长，普通为20 h～50 h，

38CrMoAl钢氮化工艺曲线图
 （2）氮化前零件须经调质解决  目是改进机加工性能和获得均匀回火索氏体组织，保证较高强度和韧性。对于形状复杂或精度规定高零件，在氮化前精加工后还要进行消除内应力退火，以减少氮化时变形。
2. 组织和性能：
（1）钢件氮化后具备很高硬度(1000 HV～1100 HV)，且在600 ℃～650 ℃下保持不下降，因此具备很高耐磨性和热硬性。氮化后，工件最外层为一白色ε或γ′相氮化物薄层，很脆。惯用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。

 Fe-N相图
38CrMoAl钢氮化层显微组织 400倍
（2）钢氮化后，渗层体积增大，导致表面压应力，使疲劳强度大大提高。
    （3）氮化温度低，零件变形小。
    （4）氮化后表面形成致密化学稳定性较高ε相层，因此耐蚀性好，在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。
38CrMoAl(调质后气体渗氮)金相图
图1(100×) 图2(550×)

图3(550×) 图4(125×)
工艺状况：调质后气体渗氮
浸蚀办法：4%硝酸酒精溶液浸蚀
组织阐明：活塞杆使用中发生疲劳失效。
图1：疲劳源附近组织形貌，组织已发生相变，图中可见到有三个层次，最表面含氮量较高，已转变为马氏体和氮化物，并伴有细小沿晶次生裂纹。次表层含氮量相对较低，成为白亮含氮马氏体，再向内为近氮化层心部组织，呈浅淡色马氏体。
图2为氮化层高倍下形貌，含氮马氏体和颗粒状氮化物，黑色为晶界区域。
图3是图1中浅淡色马氏体经深浸蚀后显现出针状马氏体。心部为回火索氏体。
由于磨掠过热导致相变及裂纹(龟裂)，该裂纹在服役中成为疲劳损伤源区。
图4最表面为白亮层￡相化合物层，次表层深色区域为含氮索氏体，其上分布有严重白色脉状氮化物，其形态评为4～5级(1～3级正常)。心部组织为回火索氏体，有枝晶偏析残存(条纹状黑影)。金相法测得渗氮层深度约为0.45mm。
近表面硬度为990～1027HV0.3；
心部硬度为303～308HV0.3。
硬度法测得渗氮层深度为0.45mm(表不办法：0.45DN355HV0.3)，与金相法相似。
扩散层中脉状氮化物评估应在放大500倍下对照GB/T11354-1989《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检查》原则中图片进行。本图片放大倍率低，故不易辨别。
五 、实验设备：
1、 箱式电阻炉和控温仪表
2、 洛氏硬度计
3、 表面维氏硬度计
4、 金相显微镜
5、 淬火水槽、油槽
6、 抛光机
7、 回火电炉
8、 水银温度计
9、 钳子和铁丝
10、 原则试样
11、 38CrMoAl钢金相图册
六 、参照文献：
[1] 樊东黎，王广生等．热解决手册[M]．北京：机械工业
出版社。．
[2] 吴元徽．国家职业资格培训教材热解决工(高档)[M]．北京：机械工业出版社，．
[3] 周上祺，范秋林，任勤，等．迅速深层渗氮工艺设计．金属热解决，1998，23(3)：2
[4] 安正昆.热解决工艺学[M] 机械工业出版社,1986
[5] 单东黎.热解决工程师手册[M] 中华人民共和国机械工程学会热解决专业学会,1999
⑹戴起勋 《金属材料学》
[7] 第23期 热解决/锻压/锻造热加工