38CrMoAl鋼的熱處理工藝

-PAGE.z.目錄程設(shè)計的任務(wù)與性質(zhì)………….3二、課程設(shè)計的目的……………….3三、設(shè)計內(nèi)容與基本要求………….3四、設(shè)計步驟…………34、1方案確定……………………34、2熱加工………………………64、3熱處理工藝設(shè)計………………….7五、實驗設(shè)備………..16六、參考文獻……….16程設(shè)計的任務(wù)與性質(zhì)《金屬熱處理原理與工藝》課程是一門重要的專業(yè)課程，金屬材料熱處理工藝設(shè)計級實驗操作時一種重要的教學環(huán)節(jié)，通過金屬材料熱處理工藝金相組織分析、性能檢測等實驗，可以培養(yǎng)學生掌握熱處理實驗方法、原理及相關(guān)設(shè)備，運用熱處理的基本原理和一般規(guī)律對實驗結(jié)果進行分析討論，有助于強化學生解決問題、分析問題的能力。課程設(shè)計的目的課程設(shè)計屬于《金屬熱處理原理與工藝》課程的延續(xù)，通過設(shè)計實踐，進一步學習掌握金屬熱處理工藝設(shè)計的一般規(guī)律和方法。培養(yǎng)綜合運用金屬學、材料性能學、金屬工藝學、金屬材料熱處理及結(jié)構(gòu)工藝等相關(guān)知識，進行工程設(shè)計的能力。培養(yǎng)使用手冊、圖冊、有關(guān)資料及設(shè)計標準規(guī)范的能力。提高技術(shù)總結(jié)及編制技術(shù)的能力。是金屬材料工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學環(huán)節(jié)實施的技術(shù)準備。設(shè)計內(nèi)容與基本要求設(shè)計內(nèi)容：獨立完成38CrMoAl鋼的熱處理工藝設(shè)計，包括工藝方法、路線、參數(shù)的確定，熱處理設(shè)備及操作，金相組織分析，材料性能檢測等。基本要求：課程設(shè)計必須獨立進行，每人必須完成不同的*一種鋼材熱處理工藝設(shè)計，能夠較清楚地表達所采用熱處理工藝的基本原理和一般規(guī)律。合理地確定工藝方法、路線、參數(shù)，合理選擇熱處理設(shè)備并正確操作。正確利用TTT、CCT圖等設(shè)計工具，認真進行方案分析。正確運用現(xiàn)代材料性能檢測手段，進行金相組織分析和材料性能檢測等。課程設(shè)計說明書力求用工程術(shù)語，文字通順簡練，字跡工整，圖像清晰。設(shè)計步驟4、1方案確定1、38CrMoAl高鋁合金結(jié)構(gòu)鋼介紹牌號：38CrMoAl38CrMoAl是合結(jié)鋼的其中一種,國內(nèi)執(zhí)行標準GB/T3077-1999。38CrMoAl是一種專用氮化鋼,經(jīng)過熱處理和精加工后的38CrMoAl圓鋼具有很高的表面硬度、耐磨性及疲勞強度,并具有良好的耐熱性及腐蝕性。處理后尺寸精度高,通常38CrMoAl氮化后的表面硬度在920HV以上,預(yù)處理為調(diào)質(zhì)(通常調(diào)質(zhì)硬度要求≥260HB,如262~302HB)。38CrMoAl氮化速度較快,可以得到較深的氮化層深度,但氮化層的脆性相對較大,淬透性不高,因而不太適合制作承受沖擊很大的零件。國外通常不推薦含鋁氮化鋼用于重要的重載齒輪。38CrMoAl用途38CrMoAl合結(jié)鋼是一種耐海水腐蝕的專用鋼材。A、38CrMoAl合結(jié)鋼材料，主要用來制作管道及設(shè)備。具有很強的耐腐蝕性，安裝也很方便等優(yōu)點。B、能耐腐蝕的原因：(1)38CrMoAl合結(jié)鋼材料中的Al（鋁），能與空氣中的O（氧）化學反應(yīng)生成Al2O3（三氧化二鋁）.從而行成保護膜，既防腐又耐腐。(2)38CrMoAl合結(jié)鋼中的Cr（鉻），Mo（鉬），離子在海水中能自動補充Cl（氯）離子對鋼材點腐蝕形成的空隙，形成致密保護層，阻止點腐蝕向縱深發(fā)展。進而起到耐腐，使使用壽命加長。C、焊接38CrMoAl無縫鋼管材料焊接性能較好，配有專用耐腐焊條"海O3”，無特殊焊接要求。D、應(yīng)用舉例38CrMoAl無縫鋼管材料，是沿海電廠，沿海油田，沿海天然氣及石化廠輸送水，油氣及含海水介質(zhì)的最理想的管路及加工件制作材料。38CrMoAl是專用氮化鋼,一般僅用于需要表面高度耐磨經(jīng)氮化處理的零件,通常氮化后的表面硬度在920HV以上,預(yù)處理為調(diào)質(zhì)(通常調(diào)質(zhì)硬度要求≥260HB,如262~302HB)。38CrMoAl氮化速度較快，可以得到較深的氮化層深度，但氮化層的脆性相對較大，因而不太適合制做曾受沖擊很大的零件。國外通常不推薦含鋁氮化鋼用于重要的重載齒輪（建議采用Cr-Mo-V等類氮化鋼）。2、化學成分碳C：0.35～0.42硅Si：0.20～0.45錳Mn：0.30～0.60硫S：允許殘余含量≤0.035磷P：允許殘余含量≤0.035鉻Cr：1.35～1.65鋁Al：0.70～1.10鎳Ni：允許殘余含量≤0.030銅Cu：允許殘余含量≤0.030鉬Mo：0.15～0.253、力學性能：抗拉強度σb(MPa)：≥980(100)屈服強度σs(MPa)：≥835(85)伸長率δ5(%)：≥14斷面收縮率ψ(%)：≥50沖擊功Akv(J)：≥71沖擊韌性值αkv(J/cm2)：≥88(9)硬度：≤229HB4、物理性能1、臨界點臨界點Ac1Ac3Ar1Ar3Ms溫度（近似值）℃7608856757403605、鍛造工藝加熱溫度℃開鍛溫度℃終鍛溫度℃冷卻方式1180～12001050～1100≥850緩冷6、熱處理工藝項目退火正火淬火回火溫度℃840～870930～970940150～200300～400500～550600～650冷卻爐冷空冷油水或油水或油水或油水或油硬度HRC≤229HB——＞5656～5151～4539～3531～284、2熱加工試驗導(dǎo)軌型號有兩種，即LG25型，外形尺寸23mm22.5mm760mm；LG30型，外形尺寸28mm27.5mm760mm。導(dǎo)軌如圖1所示，其中無括號數(shù)字為LG25型尺寸，括號內(nèi)數(shù)字為LG30型尺寸。

離子氮化導(dǎo)軌用材為38CrMoAlA鋼，毛坯為熱軋棒材，直徑分別為40mm和50mm，經(jīng)切削加工成形。導(dǎo)軌氮化的技術(shù)條件：表面硬度≥650HV，氮化層深度≥0.4mm，脆性≥2級，變形量的檢驗方法和允差見圖2、圖3和附表。

熱處理規(guī)范：淬火940℃,油冷;回火640℃,油冷。硬度26~30HRC用壓力機校直后去應(yīng)力退火：550℃4、3熱處理工藝設(shè)計熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過適當?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。熱處理工藝不但可以強化金屬材料、充分挖掘材料性能潛力、降低結(jié)構(gòu)重量、節(jié)省能源，而且能夠提高機械產(chǎn)品質(zhì)量、大幅度延長機器零件的使用壽命。熱處理的三個階段：加熱、保溫和冷卻。五個要素：加熱介質(zhì)、加熱速率、加熱溫度、保溫時間和冷卻速率（如下圖所示）。時間（h時間（h）溫度(℃)加熱v加保溫t加冷卻V冷τ保1、預(yù)先熱處理毛坯選用兩種預(yù)先熱處理工藝，即退火和調(diào)質(zhì)。退火工藝：870℃保溫2h，爐冷至500℃以下出爐空冷。硬度≤229HBW。調(diào)質(zhì)：930～940℃保溫1.5h，油冷淬火；隨后680℃回火3h，空冷。硬度25～28HRC。經(jīng)預(yù)先熱處理的毛坯，在粗加工工序后，進行第一次去應(yīng)力退火。在精加工工序完成后，再進行第二次去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火工藝(兩次退火工藝均相同)：溫度650℃保溫2h，爐冷至250℃以下出爐。2、毛坯離子氮化試驗結(jié)果及其分析

(1)離子氮化工藝規(guī)范供毛坯氮化用的設(shè)備為額定輸出直流電流為30A的立式離子氮化爐。氮化溫度和時間分別為：530℃/8h、550℃/15h、550℃/22h和560℃/10h。

(2)氮化層的組織、表面硬度及硬度梯形38CrMoAlA鋼經(jīng)530℃/8h離子氮化后，滲層組織由表及里依次為→+′→+′→心部組織。其特征是：最表層厚度0.02～0.03mm白亮色化合物層，即相。緊靠白亮色化合物層的次表層，出現(xiàn)脈狀組織，厚度0.01～0.15mm，相成分為+′。往后是擴散層，相成分是+′。再往里是心部組織。在金相分析中還可以看到，氮化前的金相組織和氮化工藝參數(shù)對氮化后脈狀組織的含量有較大影響。退火組織在氮化過程中形成脈狀組織的傾向比調(diào)質(zhì)組織大得多，而且氮化溫度越高，氮化時間越長，均促進脈狀組織的形成。

經(jīng)不同預(yù)先熱處理的38CrMoAlA鋼于540～560℃離子氮化22h，硬度沿氮化層的分布如圖4所示。

由圖4可以看到，經(jīng)上述工藝處理后，氮化層深度保持在0.50mm以上。氮化層的硬度梯度與預(yù)先熱處理有關(guān)。在相同的離子氮化工藝條件下，退火狀態(tài)導(dǎo)軌約0.2mm預(yù)先熱處理對變形的影響分別經(jīng)退火和調(diào)質(zhì)預(yù)先熱處理的LG25型導(dǎo)軌，在相同的工藝參數(shù)下(550℃/15h)進行離子氮化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是退火還是調(diào)質(zhì)的導(dǎo)軌，對氮化導(dǎo)軌B面的變形沒有多大的影響，彎曲量維持在0.050～0.060mm范圍內(nèi)，但對A面的變形影響很大，退火導(dǎo)軌氮化后A面的相對最大彎曲量已達到0.4mm，而調(diào)質(zhì)導(dǎo)軌的彎曲量更大，竟達1.8～1.9mm38CrMoAl(熱軋后退火)的金相圖圖1(200×)圖2(100×)工藝情況：熱軋后退火浸蝕方法：圖1：未浸蝕；圖2：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：圖1：由表面向內(nèi)45度方向發(fā)展裂紋，開口寬、尾細、縫內(nèi)有氧化物。圖2：同一試樣浸蝕后可見裂紋兩側(cè)嚴重脫碳-為鐵素體組織，基體組織為珠光體和鐵素體。此種裂紋為鍛造折迭，在隨后熱處理過程中會擴展，兩側(cè)會氧化脫碳。2、38CrMoAl的正火正火溫度38CrMoAl：930~970℃細珠光體+塊狀鐵素體+少量索氏體。出現(xiàn)異常組織與冷速有關(guān)38CrMoAl正火照片珠光體+鐵素體。工藝情況：鍛造后正火處理浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：粒狀貝氏體、黑色塊狀區(qū)域的珠光體以及白色小塊狀鐵素體。晶粒度約為5～6級。38CrMoAlA是一種滲氮用鋼。滲氮層的綜合性能，尤其脆性與原始組織的晶粒大小密切相關(guān)。因此，滲氮前一般均采用正火工藝細化晶粒，再調(diào)質(zhì)處理。由于該試樣鍛造組織偏析明顯，各區(qū)域的成分偏差致使各區(qū)域臨界點不同，加熱及冷卻過程中必然發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變。3、38CrMoAl淬火、回火38CrMoAl（滲碳后淬火、回火）金相圖圖1(400×)工藝情況：滲碳后淬火、回火處理浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：齒頂處滲碳層組織形貌，粗針狀馬氏體(6級)，殘余奧氏體(5級)，以及少量小塊狀碳化物(1級)。表面硬度：713～754HV1，(相當于61.0HRC)。心部硬度：490～511HV1。有效硬化層深度DC9.802/600=0.46mm。本試樣為過熱組織，作為齒輪，抗疲勞性能較差。4、38CrMoAl的滲氮滲氮前的處理在滲氮零件的整個制造過程中，滲氮往往是最后一道工序，至多再進行精磨或研磨。滲氮零件的工藝流程一般為：鍛造→正火（退火）→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→去應(yīng)力→精磨→滲氮→精磨→裝配。氮化前的預(yù)熱處理包括正火（退火）、調(diào)質(zhì)處理、去應(yīng)力。a．正火（退火），其目的是細化晶粒、降低硬度、消除鍛造應(yīng)力。b．調(diào)質(zhì)處理，可以改善鋼的加工性能，獲得均勻的回火索氏體組織，以保證零件心部有足夠的強度和韌性，同時又能使?jié)B氮層和基本結(jié)合牢固。c．去應(yīng)力處理，對于形狀復(fù)雜的精密零件，在滲氮前應(yīng)進行1~2次去應(yīng)力，以減少滲氮過程中的變形。滲氮前的生產(chǎn)準備a．去污處理。零件裝爐前要用汽油或酒精進行脫脂、去污處理，零件表面不允許有銹蝕及臟污。b．防滲處理。對零件非滲氮部分，可用電鍍或涂料法進行防滲氮處理。c．滲氮件的表面質(zhì)量應(yīng)良好，不允許有脫碳層存在，因此，零件在預(yù)先熱處理前應(yīng)留有足夠的加工余量，以便在滲氮前的機加工能將脫碳層全部去除，以保證滲氮層的質(zhì)量。d．裝爐前檢查設(shè)備和滲氮夾具、電系統(tǒng)、管道、氨分解測定儀等應(yīng)保證正常使用；滲氮夾具不允許有贓物或氧化皮，如有應(yīng)清除。e．隨爐試樣。隨爐的試樣應(yīng)與滲氮零件通材料并經(jīng)過同樣的預(yù)先處理。（1）氮化溫度

一般為500℃～600℃。氮化時間長，一般為20h～50h，38CrMoAl鋼氮化工藝曲線圖（2）氮化前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理

目的是改善機加工性能和獲得均勻的回火索氏體組織,保證較高的強度和韌性。對于形狀復(fù)雜或精度要求高的零件，在氮化前精加工后還要進行消除內(nèi)應(yīng)力的退火，以減少氮化時的變形。

2.組織和性能：（1）鋼件氮化后具有很高的硬度(1000HV～1100HV),且在600℃～650℃下保持不下降,所以具有很高的耐磨性和熱硬性。氮化后，工件的最外層為一白色ε或γ′相的氮化物薄層，很脆。常用精磨磨去；中間是暗黑色含氮共析體（α＋γ′）層；心部為原始回火索氏體組織。

Fe-N相圖38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織400倍（2）鋼氮化后,滲層體積增大,造成表面壓應(yīng)力,使疲勞強度大大提高。

（3）氮化溫度低,零件變形小。

（4）氮化后表面形成致密的化學穩(wěn)定性較高的ε相層,所以耐蝕性好,在水中、過熱蒸氣和堿性溶液中均很穩(wěn)定。38CrMoAl(調(diào)質(zhì)后氣體滲氮)金相圖圖1(100×)圖2(550×)圖3(550×)圖4(125×)工藝情況：調(diào)質(zhì)后氣體滲氮浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：活塞桿使用中發(fā)生疲勞失效。圖1：疲勞源附近組織形貌，組織已發(fā)生相變，圖中可見到有三個層次，最表面含氮量較高，已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和氮化物，并伴有細小沿晶的次生裂紋。次表層含氮量相對較低，成為白亮含氮馬氏體，再向內(nèi)為近氮化層的心部組織，呈淺淡色的馬氏體。圖2為氮化層高倍下形貌，含氮馬氏體和顆粒狀氮化物，黑色為晶界區(qū)域。圖3是圖1中淺淡色馬