正火的热处理工艺

时间：2024-10-05 百科知识版权反馈

【摘要】：合金结构钢是指常用于制造机器零件用的合金钢。合金结构钢中的低合金高强度结构钢主要用于各种受力的工程结构，大多为普通质量钢，冶炼简便，成本低，使用时一般不进行热处理。合金渗碳钢的热处理一般是在渗碳后进行淬火及低温回火处理。合金调质钢的预先热处理一般采用正火或退火，目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能。它是在合金调质钢的基础上，加入多种合金元素而发展起来的，主要用于航空和航天工业。

合金结构钢是指常用于制造机器零件用的合金钢。常采用的合金元素为Mn、Cr、S、Ni、W、V、Ti、B等，这些元素可增加钢的淬透性，并使晶粒细化，这样可使大截面零件经调质处理后，在整个截面上获得强、韧结合的力学性能。同时，因淬透性的提髙，可采用冷却烈度较小的油类来淬火，从而减少淬火时的裂纹和变形倾向。

合金结构钢中的低合金高强度结构钢主要用于各种受力的工程结构，大多为普通质量钢，冶炼简便，成本低，使用时一般不进行热处理。低碳合金结构钢用于渗碳件，中碳合金结构钢用于调质件和渗氮件，高碳合金结构钢用于制造较大的弹簧。合金渗碳钢、合金调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等用于制造机器零件，对力学性能要求较高，属于优质钢或高级优质钢，一般都经过热处理后使用。

低合金强度结构钢

1.用途

主要用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。

2.性能特点

强度高。如Q345（16Mn）的屈服强度σs＝300～400MPa，而普通碳素结构钢Q235的屈服强度σs＝185～235MPa，用这种钢代替普通碳素结构钢，可大幅度减轻结构重量，节约钢材，提高使用可靠性。良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。

3.成分特点

（1）低碳：含碳量＜0.16％，以保证良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能。

（2）低合金：主要以Mn和Si为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ti、V、Nb、RE等，细化晶粒，提高韧性。

图6-4和图6-6为Q345钢建造的南京长江大桥钢结构与东风号远洋轮船，其主跨跨度为160m，与Q235相比跨度增加，而且可节约钢材15％以上。图6-5为Q420钢建造的江西九江大桥。低合金高强度钢中的Q460是我国新研制的钢种，在奥运场馆 “鸟巢”（图6-7）上首次使用，钢板厚度达110mm，是撑起 “鸟巢”的钢筋铁骨。

4.常用低合金高强度钢

常用低合金高强度材料钢的力学性能、用途及新旧牌号对照见表6-5（摘自GB／T1591—2008）。其中Q345钢是我国发展最早、使用最多、产量最大、各种性能匹配较好的钢种，其应用最为广泛。

图6-4 南京长江大桥钢结构Q345

图6-5 江西九江大桥Q420

图6-6 东风号远洋轮船Q345

图6-7 鸟巢Q460

交流与讨论

武汉长江大桥、南京长江大桥、江西九江大桥分别采用Q235、Q345、Q420建造。请比较三种钢的力学性能，中国内地桥梁建设在用钢方面的变化是怎样的？

表6-5 常用低合金高强度结构钢的力学性能、用途及新旧牌号对照

合金渗碳钢

1.成分

合金渗碳钢的含碳量一般为0.15％～0.25％，低的含碳量是保证渗碳零件的心部具有足够的韧性。主加的合金元素有锰、铬、镍等，可辅加少量的硼、钛、钒、钼等。合金元素能提高钢的淬透性，改善心部性能，还可细化晶粒，防止渗碳过程中钢件产生过热。

2.热处理方法及组织

合金渗碳钢的热处理一般是在渗碳后进行淬火及低温回火处理。热处理后表层组织由回火马氏体及少量分布均匀的碳化物组成，有很高的硬度（58～62HRC）和耐磨性。心部组织与钢的淬透性及零件尺寸有关，全部淬透时是低碳回火马氏体（40～48HRC），未淬透时是托氏体、少量低碳回火马氏体（25～40HRC，ak≥60J／cm2）。

3.性能及应用

合金渗碳钢零件在渗碳、淬火及低温回火后具有 “表硬心韧”的性能，能在冲击载荷作用下及强烈磨损条件下工作，主要用于制造性能要求较高或截面尺寸较大的渗碳零件。如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销，重载齿轮、凸轮等，如图6-8～图6-11所示。

图6-8 汽车变速箱齿轮轴

图6-9 东风153汽车后桥螺伞齿轮

图6-10 汽车变速箱齿轮

图6-11 凸轮机构

4.合金渗碳钢零件制造工艺路线

20CrMnTi钢制造汽车变速箱齿轮的工艺路线如下：

下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳（930℃）→预冷淬火（830℃）→低温回火（200℃）→磨削齿形。

5.常用合金渗碳钢

常用合金渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及应用见表6-6（摘自GB／T699—1999和GB／T3077—1999）。

表6-6 常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及应用

合金调质钢

1.成分

合金调质钢的含碳量为0.25％～0.5％。主加合金元素为硅、锰、铬、镍等，辅加元素有硼（0.001％～0.003％）、钨、钛、钒、钼等。合金元素可提高淬透性，起固溶强化及弥散强化作用，微量的钨、钼等元素可减轻或防止回火脆性。

2.热处理方法及组织

合金调质钢的预先热处理一般采用正火或退火，目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能。对于合金元素含量较高的钢，正火后形成马氏体组织，硬度很高，需进行一次高温回火，以降低硬度。

调质钢的最终热处理一般采用调质处理，得到回火索氏体组织。如果零件还要求表面有良好的耐磨性，则要在调质处理后进行表面淬火（或淬火）后低温回火，以使表面得到回火马氏体。

3.性能及应用

调质处理后，合金调质钢具有良好的综合力学性能，广泛用于制造高强度和高韧性要求的各种重要机器零件。如机器中传递动力的机床主轴、大型电机主轴（图6-12）、大型船用曲轴（图6-13）、水轮发电机转轮（图6-14）、汽车拖拉机后桥半轴、连杆、高强度螺栓等。

图6-12 大型电机主轴

图6-13 大型船用曲轴

图6-14 三峡水轮发电机转轮

又如，如图6-15为40Cr钢制汽车发动机连杆零件形状。对于一些大截面零件，为保证足够的淬透性，必须选用合金调质钢，如图6-16为汽车半轴，即为调质钢制成。

图6-15 40Cr钢制汽车发动机连杆

图6-16 汽车半轴（调质钢）

4.合金调质钢零件制造工艺路线

40Cr汽车或拖拉机连杆的工艺路线如下：

下料→锻造→退火→粗切削加工→调质→精切削加工→装配

5.常用合金调质钢

常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及应用见表6-7。

表6-7 常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及应用

续表

视野拓展

超高强度钢

超高强度钢是指屈服点大于1300MPa、抗拉强度大于1400MPa的钢。它是在合金调质钢的基础上，加入多种合金元素而发展起来的，主要用于航空和航天工业。如35Si2Mn Mo VA钢的抗拉强度可达1700MPa，用于制造飞机起落架、框架等。40Si Mn Cr WMo Re钢在300℃～500℃时仍能保持高强度、抗氧化性和抗疲劳性，可用于制造超音速飞机的机体构件。

合金弹簧钢

1.成分

合金弹簧钢的含碳量一般为0.45％～0.7％（碳素弹簧钢的含碳量为0.6％～0.9％），主加合金元素是硅和锰，辅加少量的铬、钒等。合金元素的作用是固溶强化、细化晶粒、弥散强化等，并提高淬透性。

2.热处理方法及组织

弹簧按加工工艺方法不同，可分为冷成型弹簧和热成型弹簧，它们的热处理方法及组织也不同。

（1）冷成型弹簧直径较小的弹簧，可采用冷拉钢丝冷卷成型。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到250℃～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可，组织为珠光体和少量铁素体，且晶粒有拉长变形。

（2）热成型弹簧和截面尺寸较大的弹簧，通常是在热成型后进行淬火＋中温回火（350℃～500℃）处理，得到回火托氏体组织。

3.性能及应用

合金弹簧钢具有高的屈服强度特别是高的弹性极限，并有一定的塑性和韧性，用来制造各种弹簧和弹性元件。图6-17～图6-19为几种汽车用弹簧。弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，常采用喷丸处理以强化表面，提高弹簧钢的屈服强度和疲劳强度。

图6-17 60Si2Mn制汽车板弹簧

图6-18 汽车悬挂弹簧

图6-19 汽车气门弹簧

4.合金弹簧钢零件制造工艺路线

60Si2Mn汽车板弹簧的工艺路线如下：

扁钢下料→加热压弯成型→淬火＋中温回火→喷丸

5.常用合金弹簧钢

常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能及应用见表6-8（摘自GB／T1222—2007）。

表6-8 常用合金弹簧钢的牌号、热处理、力学性能及用途

滚动轴承钢

1.用途

滚动轴承钢用于制作各类滚动轴承（图6-20）的内外套圈、滚动体。从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、机床丝杠等耐磨零件。

图6-20 滚动轴承

2.热处理方法

高碳铬轴承的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。

3.成分特点

（1）含碳量。高碳（含量在0.95％～1.15％），碳化物可以提高强度、硬度及耐磨性。

（2）合金元素。主要加入Cr（含量在0.4％～1.65％），提高淬透性和接触疲劳抗力，细化晶粒，有时还加入Si、Mn进一步提高淬透性，用于制造大型轴承。

4.常用轴承钢

滚动轴承钢最具有代表性的是GCr15。用于制造中、小型号轴承，也常常用来制造量具、丝锥、冷冲模等。常用滚动轴承钢牌号、化学成分、热处理、性能及应用见表6-9。

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航空母舰

航空母舰（aircraftcarrier），简称 “航母”，是一种以舰载机为主要作战器的大型水面舰艇。依靠航空母舰，一个国家可以在远离其国土的地方进行战斗。

最大的航空母舰是美国罗纳德·里根号尼米兹级航母，该航母由2座核反应堆和4座蒸汽轮机推动，满载排水量91487t，舰长340m，宽76.8m，可容纳舰载飞机85架，工作人员6300人，舰体和甲板采用63.5mm厚的，性能优异、能抗九级大风的HSLA-100合金钢制造。该舰艇造价50亿美元，每月的开支至少需要1300万美元。

表6-9 常用滚动轴承钢牌号、化学成分、热处理及应用

易切钢

1.成分

易切钢是在碳钢基础上加入一定量的S、Pb、P、Ca等合金元素形成的容易切削加工的钢。其可以是从低碳到高碳各种含碳量的钢，钢中含硫量为0.18％～0.30％，含锰量为0.6％～1.55％，钢中形成大量的Mn S夹杂物，故切削易断，且有一定的润滑作用，从而改善切削性能。适当提高含磷量可以使铁素体脆化，也能提高切削性能。含锰量较高的易切钢，应在牌号后附加Mn，如Y40Mn等。

2.热处理方法及组织

易切钢的热处理及组织主要由钢中含碳量决定。

3.性能及应用

易切钢适合在自动机床上进行高速切削，切削后零件表面质量较高，而且刀具的磨损较小，使用寿命较长。主要用于制造受力较小、不太重要且大批生产的标准件，如螺钉、螺母、垫圈、垫片（图6-21）、缝纫机（图6-22）、计算机和仪表零件等。

图6-21 螺钉、螺母垫片

图6-22 缝纫机

4.常用易切钢

常用易切钢的牌号、化学成分、力学性能及应用见表6-10（摘自GB8731—2008）。

表6-10 常用易切削钢的牌号、化学成分、力学性能及应用

续表

练习与实践

一、填空题