38CrMoAl的热处理工艺设计

　　38CrMoAl的热处理工艺设计

　　一、完全退火热处理工艺

　　1.1 工艺参数

　　选用完全退火的原因：因为完全退火主要用于含碳量质量分数为0.3%~0.6%的中碳钢铸、锻件，因为38CrMnAl含碳量为0.38%，且是锻件，故选用完全退火。

　　完全退火的目的：在于消除其锻件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均匀等组织缺陷及内应力，使钢的强度、塑性和韧性达到技术要求即均匀组织、细化晶粒、消除内应力、改善切削加工性能等，为最终热处理做好组织准备。

　　1.1.1 加热温度

　　选择：920℃

　　理由：因为38CrMnAl钢是亚共析钢，其完全退火温度为Ac3+30～50℃;且其Ac3为885℃，故可选温度为920℃。这样既可以细化晶粒，又有助于奥氏体成分均匀化，以改善切削加工性能并未淬火作良好的准备。

　　1.1.2 加热方法

　　选择：随炉温加热

　　理由：简单易控制，且是预备热处理，对性能要求不高。

　　1.1.3 加热介质

　　选择：氮气

　　理由：由于加热温度过高，零件容易氧化脱碳，氮气可以很好的防护，使金属烧损、性能降低。

　　1.1.4 保温时间

　　选择：3h

　　理由：一般可按有效厚度1.5~2.5min/mm估算，但保温时间一般不超过10h，本零件的有效厚度为125mm，故可以选择3h。保温的目的是为了使工件熟透并得到比较均匀的奥氏体。

　　1.1.5 冷却方法

　　选择：随炉冷却

　　理由：表面与心部温度差距小，不易产生应力，防止其开裂。

　　1.1.6 冷却介质

　　选择：氮气

　　理由：因为是随炉冷却，且炉内气体是氮气

　　1.1.7 热处理后检验方法

　　内容：硬度应小于或等于229HBW

　　方法：通过加载将钢球压头压入被检测的金属零件表面，根据单位压痕面积上所受的负荷大小来确定硬度值。

　　HB=P/F=P/Dtπ

　　F：凹陷压痕的面积

　　t：压痕凹陷的深度

　　检测面应是光滑平面。

　　1.1.8工艺曲线图

　　操作守则：a.严格控制加热温度和时间，并尽量减轻钢件的表面氧化脱碳;b.完全退火加热并透烧后，在大量装炉情况下，随炉缓冷或控制一定的冷却速度经济出炉温度。

　　1.2 材料的组织、性能

　　1.2.1 加热温度后的组织及性能

　　①正常温度的组织和性能

　　粒状珠光体，硬度较高，具有良好的综合性能

　　②加热温度不足的组织及性能

　　片状珠光体，大量铁素体，具有较高的硬度和强度，工件有较差的任性和塑性，且易开裂。

　　③加热温度过高的组织及性能

　　粗大的珠光体和铁素体，具有较差的强度和硬度，但韧性和塑性高，温度严重过高时，容易氧化脱碳。

　　④工件尺寸因素对热处理后的组织和性能的影响

　　工件尺寸过大，心部和表面温差大，容易开裂，并产生应力。

　　1.2.2 保温时零件的组织转变

　　保温时，碳逐渐融入奥氏体中，碳的分布逐渐均匀。

　　1.2.3 冷却到室温后的组织及性能

　　①正常冷却后的组织及性能

　　组织为均匀的珠光体和铁素体，综合性能良好

　　②冷却速度不足的组织及性能

　　珠光体和铁素体较粗大，工件较软，不易于以后的热处理。

　　③冷却速度过大的组织及性能

　　细小的珠光体和铁素体，硬度和强度较高，不易于机加。

　　1.2.4 产生缺陷预测及防护

　　①硬度过高 由于退火过后冷速太快，生成的片状珠光体太薄，导致硬度升高。它不利于切削加工，解决的办法是重新加热，降低冷却速度(冷速应小于等于120℃/h)

　　②组织中出现粗大的块状铁素体 冷速太慢，冷速应控制在30℃/h以上。

　　1.3 选择热处理的设备

　　选择：中温井式炉 RJ2-190-9

　　理由：适用于轴类等长型零件的退火、正火、淬火及预热等，装炉量少，常用于质量要求较高的零件。

　　表1.1 RJ2-190-9的参数

参数名称	额定功率	额定电压	相数	额定温度	炉膛尺寸
单位	KW	V		℃	mm
RJ2-190-9	190	380	3	950	1000×3600

　　1.4 热处理中的挂件、装具、夹具

　　二、38CrMoAl调质工艺

　　调质处理的目的：为了获得较高的强度和高的韧性互相配合良好的综合力学性能。其适用于，要求较高综合力学性能的中碳合金结构钢工件;改善半成品加工的表面粗糙度及减小最终热处理淬火的变形倾向等。

　　2.1 淬火工艺参数

　　2.1.1 加热温度

　　选择：930℃

　　理由：低合金钢的加热温度范围为Ac3+30～50℃;且其Ac3为885℃，故可选温度为930℃。其目的是为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化。

　　2.1.2 加热方法

　　选择：随炉加热

　　理由：简单易操作控制。

　　2.1.3 加热介质

　　选择：氮气

　　理由：由于加热温度过高，零件容易氧化脱碳，氮气可以很好的防护，使金属烧损、性能降低。

　　2.1.4 保温时间

　　选择：3h

　　理由：由经验公式t=aKD

　　a是保温时间系数一般取1.5

　　K是工件装炉修正系数一般取1～1.5，这里取1

　　D是工件有效厚度，这里为125mm

　　t是保温时间

　　计算得t为3h。

　　2.1.5 冷却方法

　　选择：双液淬火法

　　理由：工件淬入清水中20s后，迅速转入油中冷至室温。先快冷可避免过冷奥氏体的分解，后慢冷可有效地降低变形和开裂倾向。

　　2.1.6 冷却介质

　　选择：水、油

　　2.2 回火工艺参数

　　高温回火目的：消除淬火时产生的残余应力，提高材料的塑性和韧性，稳定工件尺寸，或得良好的综合力学性能。

　　2.2.1 加热温度

　　选择：630℃

　　理由：在钢的Ac1温度以下，38CrMnAl的Ac1为760℃，且是高温回火，故可以选温度为630℃。

　　2.2.2 加热方法

　　选择：随炉温加热

　　理由：简单易操作控制，且不易产生应力。

　　2.2.3 加热介质

　　选择：氮气

　　理由：由于加热温度过高，零件容易氧化脱碳，氮气可以很好的防护，使金属烧损、性能降低。

　　2.2.4 保温时间

　　选择：4h

　　理由：一般根据工件截面厚度而定，一般每25mm厚度保温1~2h，回火温度较高时，可以适当缩短，故为4h。

　　2.2.5 方法

　　选择：空冷

　　理由：①为了减少残余应力，在回火后一般在空气中冷却;②对于中、低碳高强度合金钢及弹簧钢为了避免发生第一类回火脆性，也可采用等温淬火。

　　2.2.6 介质

　　选择：空气

　　2.3 调质处理后检验方法

　　内容：硬度范围应在250～280HBW

　　方法：通过加载将钢球压头压入被检测的金属零件表面，根据单位压痕面积上所受的负荷大小来确定硬度值。

　　HB=P/F=P/Dtπ

　　F：凹陷压痕的面积

　　t：压痕凹陷的深度

　　检测面应是光滑平面。

　　内容：金相组织

　　一般应得到马氏体。由于奥氏体化温度不同，马氏体形态和大小不一样。可以用透射电子显微镜来观察。

　　方法：将经预减薄的样品冲成直径为3mm的圆片后置于电解槽中接阳极，样品两侧各有电解液喷嘴一个，喷嘴内装有铂丝阴极，电解液以一定速度喷向试样中心，使试样双面减薄，当样品减薄到刚刚穿孔时，控制系统切断电源然后在抛光形成的小孔附近找到符合透射电镜观察厚度的薄区。

　　2.4 工艺曲线图

　　操作守则：a.淬火加热和保温应确定原始组织完全奥氏体化;b.淬火冷却速度能够确保大多数奥氏体转变马氏体组织，零件表层铁素体体积分数不得超过3%~5%。

　　2.5材料的组织、性能

　　2.5.1 加热温度后的组织及性能

　　①回火正常温度的组织和性能

　　回火索氏体，良好的综合力学性能

　　淬火正常温度的组织和性能

　　大部分接近平衡状态的组织，为奥氏体;工件较软，塑韧性好

　　②回火加热温度不足的组织及性能

　　下贝氏体，硬度较高，塑性和韧性差

　　淬火温度不足的组织及性能

　　奥氏体和残留碳化物。加热温度低于Ac1，组织中会保留一部分渗碳体，使淬火强度，硬度高。

　　③回火加热温度过高的组织及性能

　　上贝氏体，易产生回火脆性

　　淬火加热温度过高的组织及性能

　　奥氏体晶粒细化，但易脱碳氧化

　　2.5.2 保温时零件的组织转变

　　回火后转变为索氏体，淬火保温时奥氏体不发生转变，工件心部和表面组织和性能差异不大。

　　2.5.3 冷却到室温后的组织及性能

　　①回火正常冷却后的组织及性能

　　回火索式体和残余奥氏体，良好的综合力学性能

　　淬火正常冷却后的组织及性能

　　得到马氏体还有一部分残余奥氏体

　　②回火冷却速度不足的组织及性能

　　少量的铁素体和屈氏体和残余奥氏体，易产生回火脆性

　　淬火冷却速度不足的组织及性能

　　掺杂一定的珠光体、奥氏体，使硬度、强度降低

　　③回火冷却速度过大的组织及性能

　　少量的铁素体和屈氏体晶粒与正常态比细化了，硬度较高，不易加工，工件易变形。

　　淬火冷却速度过大的组织及性能

　　有较多的马氏体和残余奥氏体，硬度较高

　　2.5.4 产生缺陷预测及防护

　　a.工件表面脱碳严重

　　由于工件在氧化气氛的加热炉中加热时间过长、温度过高所致。解决办法是合理选择加热温度和保温时间，或选择保护气氛加热炉、真空炉等加热设备。

　　b.力学性能过低

　　这是由于淬火加热温度低游离态铁素体未完全溶入奥氏体中所致;或是原材料钢材的淬透性差;或是由于回火温度过高或过低所致。解决方法为：调整淬火温度;调整回火温度。

　　c.淬裂

　　由于原材料内部缺陷所致;淬火冷却过于激烈;尖角沟槽处应力集中，切削刀纹粗大;工件表面脱碳。

　　2.6 热处理的设备

　　选择：淬火用中温井式电阻炉RJ2-190-9 回火用台车式炉RT2-320-9

　　理由：适用于轴类等长型零件的退火、正火、淬火及预热等，装炉量少，常用于质量要求较高的零件。台车式炉适用于大型锻、铸件的退火、正火、回火等。

　　表2.1 RT2-320-9参数

参数名称	额定功率	额定电压	相数	额定温度	炉膛尺寸
单位	KW	V		℃	mm
RT2-320-9	320	380	3	950	3000×1350×950

　　2.7 热处理中的挂件、装具、夹具

　　三、38CrMoAl去应力退火工艺

　　去应力退火的目的：为了去除锻件及切削加工过程中产生的残余内应力。它可以降低原材料或毛坯的硬度，以利于切削加工;还可以彻底地消除被处理的参与内应力。

　　3.1 工艺参数

　　3.1.1 加热温度

　　选择：610℃

　　理由：碳钢和低合金钢的去应力退火温度一般为550～650℃。

　　3.1.2 加热方法

　　选择：随炉加热

　　理由：因为此时的热处理对工件性能要求高，且轴类零件要求精度高。随炉加热防止其产生新的应力，有利于保持工件性能。

　　3.1.3 加热介质

　　选择：氮气

　　理由：由于加热温度过高，零件容易氧化脱碳，氮气可以很好的防护，使金属烧损、性能降低。

　　3.1.4 保温时间

　　选择：6h

　　理由：根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为3mm/min。

　　3.1.5 冷却方法

　　选择：随炉冷至小于300℃，出炉空冷

　　理由：大型零件或要求消除应力十分彻底的零件，则需炉冷至300℃，再出炉空冷，此轴是精度要求高的零件，且去应力退火的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力，故选择随炉冷却再空冷。

　　3.1.6 冷却介质

　　选择：氮气 空气

　　3.1.7 去应力退火后检验方法

　　应检查弯曲，工件外圆全跳动量小于或等于0.50mm;进行粉磁探伤，用以检验厚材料与淬火裂纹。

　　弯曲检验方法：采用三点弯曲计算方法

　　σ=2.5PL/d3 f= L2ε/6d

　　d：圆棒直径 L：跨距(mm)

　　P:弯曲断裂载荷 f:弯曲挠度(mm)

　　ε:试样弯曲外层残留伸长量(%)

　　粉刺探伤方法：

　　a.受检表面及附近30mm范围内用进行干燥和清洁处理，不得有污垢、锈蚀、松动的氧化皮等。

　　b.当受检表面妨碍显示时，应打磨或喷砂处理。

　　c.干粉探伤时，磁化时间一般每次约0.5～1s;湿粉探伤时，磁化时间需几秒钟。

　　d.磁化方向。每个受检区域应进行两次检验，两次检验的磁力线方向应大体上垂直。

　　3.1.8 工艺曲线图

　　操作守则：a.工件装炉应在加热温度不超过200～300℃状态下进行，并以不大于150℃/h的速度升温加热;b.去应力退火冷却速度应严格控制，一般以不大于50℃/h的速度进行冷却;c.去应力退火工件的出炉温度，不得高于300℃。

　　3.2 材料的组织和性能

　　3.2.1 加热温度后的组织及性能

　　①正常温度的组织和性能

　　贝氏体，硬度较高，具有良好的综合性能

　　②加热温度不足的组织及性能

　　下贝氏体，具有较高的硬度和强度，工件有较差的任性和塑性，且易开裂。

　　③加热温度过高的组织及性能

　　粗大的珠光体和铁素体，具有较差的强度和硬度，但韧性和塑性高，温度严重过高时，容易氧化脱碳。

　　④工件尺寸因素对热处理后的组织和性能的影响

　　工件尺寸过大，心部和表面温差大，容易开裂，并产生应力。

　　3.2.2 保温时零件的组织转变

　　保温时，碳逐渐融入奥氏体中，碳的分布逐渐均匀。

　　3.2.3 冷却到室温后的组织及性能

　　①正常冷却后的组织及性能

　　组织为贝氏体，综合性能良好

　　②冷却速度不足的组织及性能

　　少量珠光体和贝氏体，工件较软，不易于以后的热处理。

　　③冷却速度过大的组织及性能

　　贝氏体和马氏体，硬度和强度较高，不易于机加。

　　3.2.4 产生缺陷预测及防护

　　易产生新的应力;由于工件在冷却过程中，冷却速度较快，易产生新的应力，应控制好冷却速度，选择恰当的冷却方法。

　　3.3 热处理炉的设备

　　选择：中温井式电阻炉 RJ2-190-9

　　理由：适用于轴类等长型零件的退火、正火、淬火及预热等，装炉量少，常用于质量要求较高的零件。

　　3.4 热处理中的挂件、装具、夹具

　　四、38CrMoAl渗氮热处理工艺

　　选用气体渗氮，采用三段气体渗氮法。即工件随炉缓慢升温，在440℃保温2h，然后升温至500℃，保温30h，缓慢升温至560℃，保温24h，再随炉缓慢降温至530℃，保温6h退氮处理。关闭出气阀门，打开进气阀门。然后炉冷至小于200℃出炉空冷。

　　4.1 工艺参数

　　4.1.1 加热温度

　　选择：分别是440℃、500℃、560℃、530℃

　　理由：为了保证氮化物自身的心部强度与硬度不变化，氮化温度必须低于调质回火温度;若氮化温度过低，渗氮速度慢，为达到一定的氮化深度需延长时间，同时导致工件表面不能吸收足够活性氮原子，硬度不高，故氮化温度选在500～560℃。

　　4.1.2 加热方法

　　选择：随炉温加热

　　4.1.3 加热介质

　　选择：氮气

　　4.1.4 保温时间

　　选择：2h、30h、24h、6h

　　理由：当渗层深度在0.4mm以内时，平均渗氮速度为0.015～0.02mm/h;当渗层深度在0.4～0.7mm以内时，平均渗氮速度为0.005～0.015mm/h;渗层越深，渗速越慢。

　　4.1.5 冷却方法

　　选择：炉冷至小于200℃出炉空冷

　　4.1.6 冷却介质

　　选择：氮气、空气

　　4.1.7 热处理后检验方法

　　渗氮层深度的检验：包化合物层和扩散层。检验方法为金相法、硬度法和断口法。

　　渗氮层硬度检测：由于渗氮层薄且硬度高，所以对表面硬度的检查一般都采用维氏硬度计或表面洛氏硬度计。

　　渗氮层脆性检测：按维氏硬度压痕边角碎裂程度分5级。应在工件工作部位或随炉试样的表面检验渗氮层脆性。

　　4.1.8 工艺曲线图

　　操作守则：渗氮件入炉前，应仔细清理其表面，使之无氧化皮、油脂及其他污物，以免影响渗氮质量;渗氮过程，要严格执行安全守则。尤其注意：通氮后罐内空气未排净前不得点火，否则极易引起爆炸。

　　4.2 材料的组织和性能

　　4.2.1 加热到所制定的温度后组织性能

　　正常温度：奥氏体转变为氮索氏体

　　加热不足、加热过高组织没有发生改变

　　工件尺寸的影响： 零件尺寸厚大的表面冷却速度快于心部，表面形成晶粒细小、心部晶粒较粗大，组织性能不均匀。

　　4.2.2 保温时零件的组织性能的转变

　　奥氏体转变为索氏体

　　其表面是化合物层，在金相显微镜下显白亮色，也称为白亮层，主要为ε相;次层是在基体α相上弥散分布的γ'相，呈现黑色;与中心回火索氏体有明显交界处是γ'+α组织。

　　4.2.3 冷却到室温的组织性能：

　　表面渗氮层至心部组织为最表层为Fe2-3N，随后为白色脉状合金氮化合物，次表面为扩散层，基体为含氮索氏体，在0.35mm处分布有较粗的白色脉状氮化物，心部组织为索氏体和少量沿晶分布的铁素体。

　　4.2.4 产生缺陷预测及防护

　　a.渗氮层硬度低 一般是在分段渗氮第一阶段保温时，氨分解率偏高;渗氮温度偏高;使用新的渗氮罐时未经预渗氮。防止办法是：严格控制氨分解率;经常校正测温仪表，严格控制渗氮工艺参数。

　　b.渗氮层脆性太大或易剥落 产生原因是氨分解率低;炉气氮势高;退氮工艺不当;工件有脱碳层。防治办法是：严格控制操作工艺;按工艺操作;将氨气分解率提高到70%以上，重新进行退氮处理，以降低脆性;增大加工余量。

　　4.3 热处理炉的设备

　　选择：井式气体渗氮炉 RN-140-6

　　表4.1 RN-140-6参数

参数名称	额定功率	额定电压	相数	额定温度	炉膛尺寸
单位	KW	V		℃	mm
RN-140-6	140	380	3	650	φ800×3500