钢热处理工艺性及合理选择

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2023年12月30日发(作者：)

钢热处理工艺性及合理选择

钢热处理工艺性及合理选择 三维网技术论坛% {$ k! Q" F. Z9 c. Q( ]

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G- n 钢的热处理工艺性主要包括淬透性、淬硬性、回火脆性、过热敏感性、耐回火性、氧化脱碳趋向及超高强度钢表面状态敏感性等，这些工艺性均与材料的化学成分和组织有关，是选材和制定生产工艺的重要依据。

1．淬透性 钢的淬透性是指在一定条件下钢件淬火后能够获得淬硬层的能力。钢的淬透性一般可用淬火临界直径、截面硬度分布曲线和瑞淬硬度分布曲线等表示。( O. [9 Y* & e4 @; v

淬火临界直径是指淬火试件中心形成一定量马氏体，即心部达到一定临界硬度的最大直径，临界硬度与碳含量关系见图1。

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一般机械制造行业大多以心部获得50％马氏体（体积分数）为淬火临界直径标准，对于重要机械及军工行业则以心部获得90％马氏体（体积分数）作为临界直径标准，以保证零件整个截面都获得较高力学性能。对于同一个钢种，由于选用淬火临界直径标准不同，其临界直径尺寸也不同，以50%马氏体（体积分数）为标准的临界直径大于以90%马氏体（体积分数）为标难的临界直径。

钢的淬透性使钢产生了尺寸效应（亦称质量效应），由于零件截面尺寸大小不同而造成淬硬层深度不同，同时也影响淬火件表面硬

度，因此设计师必须充分注意材料的淬透性，合理选择材料，设计大截面或形状复杂的重要零件时应选用淬透性好的合金钢，可以保证沿整个截面都具有高强度和高韧性的良好配合，同时减少热处理变形和开裂。设计师还要根据零件的服役条件合理确定淬透性要求，对于重要零件（如连杆、高强度螺栓、拉杆等），要求淬火后保证心部获得90%以上马氏体（体积分数）；对于一般单向受拉、受压的零件，则要求淬火后心部获得50%马氏体（体积分数）即可；因考虑刚度而尺寸较大的曲轴，淬火后只要求离表面1／4R处保证获得50％以上马氏体（体积分数）；弹簧零件一般要求淬透；对于滚动轴承、小轴承要全部淬透，但受冲击载荷大的大轴承则不宜淬透。此外，设计师还应注意，各种材料手册中的数据都有尺寸限制，不能根据小尺寸试样的性能指标来进行大尺寸零件的强度计算。

工艺师应根据钢的淬透性合理安排加工工序。当零件尺寸较大、又受到淬透性限制时，为了保证淬硬层深度，可采用先粗加工后热处理，热处理后再精加工。截面差别较大的零件，如大直径台阶轴，从淬透性考虑，可先粗车成形，然后调质，增加淬硬层深度。

钢的碎透性是制定热处理工艺的重要依据。淬透性好的钢淬火时，可以选用较缓和的淬火介质和较慢冷却的淬火工艺，以减少零件的变形和开裂趋向。8 }& R' w: d) Q4 Y1 G

2.淬硬性 淬硬性是指钢在理想淬火条件下，以超过临界冷却速度冷却，使形成的马氏体能够达到最高硬度。钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量，碳含量越高，淬火后硬度也越高，其他合金元素的影

响较小。碳含量（质量分数）达0．6％时，淬火钢的硬度接近最大值。碳含量进一步增加，虽然马氏体硬度会有所提高，但由于残留奥氏体量增加，碳素钢的硬度提高不多，合金钢的硬度反而会下降，见图2。5 m% z, I5 R6 l: X9 ]. B* [% w

设计师在零件设计时要考虑钢的淬硬性，合理确定钢的碳含量。在要求表面硬度较高时，应选择中碳或高碳钢；对表面硬度要求不高时，一般选择中碳或低碳钢。

3．回火脆性 钢制零件的使用性能主要通过回火获得，回火温度等参数主要根据设计强度要求来选择。但很多钢种随回火温度升高会出现两次冲击韧度明显降低现象，称之为回火脆性。三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江- `1 G9 {" u I/ W* f

钢在300℃左右温度范围回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性，也称低温回火脆性；在400～550℃温度范围内回火时产生的回火脆性称为第二类回火脆性，也称高温回火脆性，回火脆性的特点如表l所示。/ }0 }" F5 H) |( I& j; X

在设计和生产中应尽量避免选用需要在回火脆性区回火所达到的强度水平，常见钢回火脆性温度范围如表2所示。采用快速冷却可以消除第二类回火脆性，选用含钼、钨的合金钢、细晶粒钢及高纯净钢可降低回火脆性。

4．过热敏感性 钢在加热时，由于温度过高，晶粒会长大，

引起性能显著降低的现象，称之为过热。加热温度接近固相线附近时，晶界会被氧化和部分熔化，称之为过烧。' x* y- d'

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过热的重要特征是晶粒粗大，将使钢的屈服强度、塑性、冲击韧度和疲劳性能降低，同时提高钢的施性转变温度；过热还会使淬火马氏体粗大，降低其耐磨性能，增加淬火变形和开裂倾向，因此工业上总是通过各种途径细化晶粒，从而达到细化组织提高性能的目的。在各种钢种中，含锰钢的过热敏感性较大。

在设计和生产中应注意钢的过热敏感性，选用合适的钢种，合理选择淬火加热温度和保温时间，按工艺要求准确控制工艺参数。由于渗碳钢在渗碳时温度较高，时间较长，容易产生晶粒粗大，所以对于含锰钢等过热敏感性较大钢种一般不直接淬火，应采用二次淬火。三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江. A) u9 N6 w* F' y# g+ } [8 A; " T6 a

对于一般过热组织，可以通过多次正火或退火消除，对于较严重的过热组织，如状断口，不能用热处理消除，必须采用高温变形和退火联合作用才能消除。过烧组织不能挽救，是不允许的缺陷。

5．耐回火性 耐回火性是指钢在回火时抵抗软化的能力，也称回火抗力、抗回火性和回火稳定性。耐回火性好的钢在回火时组织、性能变化缓慢，可以在较高温度下回火后使用。合金钢的耐回火性比碳钢好，所以对于相同碳含量的钢种要得到相同回火硬度时，合金钢

的回火温度要比碳钢高，回火时间较长，回火后内应力比碳钢小，塑性和韧性也高。

在工业生产中，对于要求内应力消除较完全、强度与韧性配合好的零件，设计时应选用耐回火性好的合金钢。对于使用温度较高的零件，要选择耐回火性好的钢种，一般使用温度最高限度在回火温度以下50”C。

6．氧化脱碳趋向 钢在加热过程中，由于周围氧化气氛的作用，表面形成金属氧化物，使钢表面失去原来的光泽，称之为氧化；同时钢材表面的碳全部或部分丧失掉，使表面碳含量降低，称之为脱碳。在还原气氛中加热，一般不会产生氧化，但控制不好还会产生脱碳。三维网技术论坛/ m& 7 B. H4 }9 ~; [3 ?

氧化使钢表面失去金属光泽，表面粗糙度值增加，精度下降，这对精密零件是不允许的。同时，氧化使钢的强度降低，其他力学性能也下降，增加了淬火开裂和淬火软点可能性。脱碳明显降低钢的淬火硬度、耐磨性及疲劳性能，高速钢脱碳会严重影响热硬性。各种钢种中，含硅钢的氧化脱碳倾向较大。三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江5 [8 p9 z- n* 1 5 Z

在工业生产中应尽量避免氧化脱碳，重要受力件不允许在最终零件上有氧化脱碳层存在。为此，设计师必须根据生产过程和现场条件，合理留足加工余量，工艺师应适当安排好加工流程，热处理工作者应积极采用各种少无氧化脱碳的热处理工艺，控制氧化脱碳，保证

零件热处理质量，获得稳定可靠的使用性能。# ]# ],

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7．超高强度钢表面状态敏感性 超高强度钢具有比强度高的特点，可以减轻零件重量，提高产品性能，应用范围不断扩大。但超高强度钢的缺口敏感性较大，对表面状态比较敏感，表面不完整将使其疲劳性能、耐腐蚀性能、塑性与韧性等大幅度下降，甚至造成灾难性破坏，因此应注意改善缺口敏感性，保持表面完整性，防止氢脆和表面氧化脱碳，具体措施见表3。 三维网技术论坛0 W"

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, P; : e* l- }/ c5 _, C M; 表1 不同回火状态的脆性特点 2 z; O8 n6 q3 z4 ]2 ^

种 类 特 点 三维网技术论坛( v9 ?+ Q* l% ^$ j Q& s) Z

第一类回火脆性(低温回火脆性) 300℃发生的回火脆性，具有不可逆性。凡是淬成马氏体的钢均有这类脆性。 ; I' Z3 O1 r" ^- G' ?0 B2

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第二类回火脆性(高温回火脆性) 400～550℃发生的回火脆性经快速冷却可以消除。Mn钢、Cr钢、Cr-Mn钢、Cr-Ni钢等钢种易发生第二类回火脆性

三维,cad/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江( P2 x! xq表2 常用钢产生回火脆性的温度范围 (℃)

钢 号 第一类回火脆性 第二类回火脆性 三维网技术论坛( P9 Q; r# A+ Y/ U- e, B

30Mn2 250～350 500～550

20MnV 300～360 ! O: E0 T: ^8 X

25Mn2V 250～350 510～610

35SiMn 500～650 三维网技术论坛6 r) U& K5 h6 J5 C

20Mn2B 250～350

45Mn2B 450～550

15MnVB 250～350

20MnVB 200～260 520左右

40MnVB 200～350 500～600

40Cr 300～370 450～650 ; D! G1 ?, R* y& D/ w,

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45Cr 三维网技术论坛7 `( q5 a Q, [2 @7 t

38CrSi 250～350 450～550

35CrMo 250～400 无明显脆性

20CrMnMo 250～350 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa; b8 k" h"

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30CrMnTi 400～450

30CrMnSi 250～380 460～650

20CrNi3A 250～350 450～550 : F2 g- {) ; M# g4 t9 R

12Cr2Ni4A 250～350

37CrNi3 300～400 480～550

40CrNiMo 300～400 一般无脆性 三维网技术论坛. N; j#

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38CrMoAlA 300～450 无脆性

4Cr9Si2 450～600

65Mn

60Si2Mn

有回火脆性 三维网技术论坛5 }4 Y7 Y. [7 f6 ?! r

50CrVA 200～300 三维网技术论坛) k/ |# y8 P! |/ d6 {

4CrW2Si 250～350 三维网技术论坛; {& }) W8 n' g2 z2 j&

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5CrW2Si 300～400 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa' v, t" O5

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6CrW2Si 300～450 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江5 u# E& m( j: v

4SiCrV ＞600

3Cr2W8V 550～650 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江; i. c; u4 i$ 8 B/ g, X4 h

9SiCr 210～250

CrWMn 250～300

9Mn2V 190～230

T8～T12 200～300 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa6 C; V" ^1

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GCr15 200～240 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江2 P8 _. Z6 Q* s- d8 u- V: M+ e

1Cr13 520～560 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空2Cr13 450～560 600～750

3Cr13 350～550 600～750 三维网技术论坛' D* m: i6 v&

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1Cr17Ni2 400～580

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e) G P4 Q/ i表3 超高强度钢表面状态敏感性改进措施 三维|cad|机械|目 的 改进措施 三维|cad|机械|汽olidworks|caxa1 u&

_) [; G% k(改善或避免缺口敏感性 1)采用等温淬火工艺，代替油淬+低温回火工艺。2)对于受拉伸疲劳作用的重要螺纹零件，一般对螺纹部分进行局部回火，螺纹局部回火后硬度为39～43HRC。3)硬度检验或作标识，均应打在应力水平较低、应力集中较小的部位。4)设计时应采用大圆角过度，避免截面和尺寸的剧变。

减少表面残留应力敏感性 1)对淬火回火又经磨削、高速铰孔或校正的零件，还应进行一次去应力回火，一般在原回火温度以下20～30℃，保温3h以上。2)磷化后磨削的零件，应补充150℃、3h的去应力回火。3)表面大都需喷丸、孔挤压、螺纹滚压等表面强化。4)机加工后进行酸浸检查，以防止二次未回火马氏体 三维网技术论坛;

_ 防止氢脆 1)超高强度钢不宜在吸热式等含氢量较高的保护气氛中加热，避免增氢。如发现增氢，应在淬火后立即进行除氢处理，一般为190℃、16h以上除氢处理。2)在酸洗、电镀后应及时进行除氢处理，一般为190℃、16h除氢。3)电解加工或回火酸浸蚀检查的零件在8h内进行190～260℃、3h以上的回火处理

防止热处理加热氧化脱碳 一般规定，低合金超高强度钢最终热处理后，表面脱碳层≤0.075mm，不得有增碳、增氮和晶界氧化，为此这类钢的最终热处理应采用真空热处理、氮基气氛等保护气氛热处理，或者盐炉及涂料保护加热三维|cad|机械|汽车|技术|catia

热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力,对工件的形状，尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时,便引起工件的变形,超过材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除。但在一定条件下控制应力使之合理分布,就可以提高零件的机械性能和使用寿命,变害为利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律,使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。

一、钢的热处理应力

工件在加热和冷却过程中,由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致,形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力。在热应力的作用下,由于表层开始温度低于心部,收缩也大于心部而使心部受拉,当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到

冷却速度,材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时,因比容的增大会伴随工件体积的膨胀,工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状，材料的化学成分等因素有关。

实践证明,任何工件在热处理过程中,只要有相变,热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热应力与组织应力综合作用的结果,就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响,如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型,即热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消,作用方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉,表面受压。组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。

二、热处理应力对淬火裂纹的影响

存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素(包括冶金缺陷在内),对淬火裂纹的产生都有促进作用,但只有在拉应力场内(尤其是在最大拉应力下)才会表现出来,若在压应力场内并无促裂作用。

淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素,也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。为了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度,并使之超过钢的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论,这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值,故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且,在能淬透的情况下,截面尺寸越大的工件,虽然实际冷却速度更缓,开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢,热应力减小,组织应力随尺寸的增大而增加,最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作用特点造成的。并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。对这类钢件而言,在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂。避免淬裂的可有原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性。仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成。一般情况下只能产生在非淬透性件中的弧裂,虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因,却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身,而是淬火件局部位置(由几何结构决定),在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓,因而没有淬硬所致。产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心,而在淬火件末淬硬的截面中心处,首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织;而从内应力的角度来看,这时快冷有害无益。其次,冷却后期缓冷的目的,主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度,从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。

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