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什么是中碳钢,中碳钢的热处理工艺介绍

时间:2020-11-23

碳含量为0.25%~0.65%的碳素钢。它包括大部分优质碳素结构钢和一部分普通碳素结构钢。此类钢大多用于制作各种机械零件,有的用于制作工程结构件。
中碳钢属于亚共析钢,其退火组织为珠光体和铁素体。随着钢中碳含量增加,组织中珠光体数量增加,而铁素体数量减少。
碳含量大于0.40%的钢淬火组织为马氏体;碳含量大于0.40%时,除了马氏体外还有少量残留奥氏体,残留奥氏体数量随着钢中碳含量的增加而增加。
中碳钢的最终热处理方式有调质、淬火后低温回火、高频淬火后低温回火、等温淬火和淬火后中温回火。
(1)调质。组织为回火索氏体。这种组织具有良好的综合力学性能,强度较高,塑性和韧性良好。调质用钢要具有良好的淬透性,以保证调质件整个截面上组织和性能均匀。与合金钢相比,碳素钢的淬透性较差,所以只适于截面尺寸不大的中碳钢零件进行调质处理。
(2)淬火后低温回火。组织为回火马氏体,这种组织具有很高的强度和适当的塑性和韧性。
(3)高频淬火后低温回火。高频淬火层组织为极细的隐针马氏体,低温回火后得到回火马氏体,经这种处理可以得到与渗碳处理类似的效果。高频淬火前一般进行调质或正火。所以高频淬火和回火后,零件心部强度较高,塑性和韧性良好,而其表层硬度高,耐磨性好。另外,高频淬火件表层产生压应力,其疲劳极限高,使用寿命长。
(4)等温淬火。组织为贝氏体,这种组织具有较高的强度和良好的塑性和韧性。
(5)淬火后中温回火。组织为回火索氏体。
中碳钢在最终热处理之前有的进行正火作为预先热处理,其目的是细化晶粒,减轻钢中组织不均匀性,得到均匀的珠光体和铁素体组织,为最终热处理作组织准备。
中碳钢经调质处理后,主要用于制作各种传动轴、连杆、离合器、轴销、螺栓等。中碳钢经高频淬火和低温回火后,用于受冲击载荷且要求耐磨的齿轮、车床主轴、花键轴、凸轮轴和半轴等。
正火状态或不经热处理的中碳钢,用于制作负荷不大的拉杆、套筒、紧固件、垫圈和手柄等。碳含量较高的中碳钢用于制作弹簧和钢丝等。

中碳钢的热处理工艺介绍

钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理不仅可用于强化钢材,提高机械零件的使用性能,而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是:只改变内部组织结构,不改变表面形状与尺寸。
热处理工艺能够显著地提高钢的力学性能,增加零件的强度、韧性和使用寿命,提高硬度和耐磨性。所以重要的机器零件和工具都要进行热处理。热处理还可以改善工件的加工工艺性能,从而提高生产率和加工质量。
因此,热处理在机械制造工业中起着十分重要的作用。下面以45钢和40Cr钢为例。
在生产中将淬火后再进行高温回火称为“调质处理”,调质处理后零件具有良好的综合机械性能,广泛应用于各种重要的结构零件,特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低,不耐磨。可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。
1、45钢——优质中碳结构钢
45钢,是GB中的叫法,JIS中称为:S45C,ASTM中称为1045,080M46,DIN称为:C45;45钢为优质碳素结构用钢,化学成分:含碳(C)量是0.42~0.50%,Si含量为0.17~0.37%,Mn含量0.50~0.80%,Cr含量<=0.25%。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。
45钢热处理推荐温度:正火850,淬火840,回火600.
①.45钢淬火后没有回火之前,硬度大于HRC55(最高可达HRC62)为合格。实际应用的最高硬度为HRC55(高频淬火HRC58)。
②.45钢不采用渗碳淬火的热处理工艺。
45钢的调质:45钢淬火温度在A3+(30~50)℃,在实际操作中,一般是取上限的。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,截面大的可能性低些,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,因调质后还要进行铣、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。
如果用45钢渗碳,淬火后芯部会出现硬脆的马氏体,失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料,含碳量都不高,到0.30%芯部强度已经可以达到很高,应用上不多见。0.35%从来没见过实例,只在教科书里有介绍。可以采用调质+高频表面淬火的工艺,耐磨性较渗碳略差。
2、40Cr钢——合金结构钢
40Cr属于GB3077“合金结构钢”。40Cr钢的含碳量为0.37%~0.44%,比45钢略低,Si、Mn的含量相当,含Cr0.80%~1.10%。在热轧供货的情况下,这1%的Cr基本不起作用,它俩的力学性能大体相当。由于40Cr的价格比45钢贵一半左右,所以出于经济性的考虑能用45钢的就不用40Cr。
40Cr钢的调质处理:Cr在热处理中的主要作用是提高钢的淬透性。由于淬透性提高,淬火(或调质)处理后40Cr的强度、硬度、冲击韧性等机械性能也明显比45钢高,但也是由于淬透性强,在淬火时40Cr的内应力也就比45钢大,同样的条件下40Cr材料的工件开裂倾向也就比45钢材料的工件大。
因此为避免工件开裂,40Cr淬火时大多选用导热性较低的油作为淬火介质(有时也用双液淬火法,俗话叫水淬油冷),而45刚则用导热性较高的水作为淬火介质。当然,水和油的选择也不是绝对的,和工件的形状也有密切关系。形状简

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