《金属热处理原理与工艺》课程设计文档格式.docx
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0.0010％～0.0030％硼的作用可分别相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至上千倍，故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素。
（2）具有最佳含量而且此含量极小。
一般合金元素提高淬透性的效果随其在钢中含量增加而增长，但硼却有一个最佳含量（范围），过多或过少均对提高淬透性不利，而且此量很小，约为0.0010％，一般控制在0.0005％～0.0030％。
（3）硼的淬透性效果与钢的成分有关。
普遍认为钢中的碳和合金元素含量提高，硼提高淬透性的作用则下降。
所以低碳、低合金钢中硼的淬透性效果最显著。
硼淬透性系数fb与钢中碳含量关系的经验公式之一为fb=1+1.5（0.9-C）。
（4）硼的淬透性作用与奥氏体化条件有关。
早期的研究表明两者间存在特殊关系，即在某一特定奥氏体化温度下硼的淬透性效果最佳；
温度再升高，尽管奥氏体晶粒长大，硼的淬透性效果反而下降。
但是近来亦有一些研究发现，以钛固定氮的硼钢在一定的奥氏体化温度范围内淬透性几乎没有变化。
这些现象都与一般合金元素的淬透性效果与奥氏体化温度的关系不同。
（5）其他合金元素的作用除硼外，硼钢中还经常加入一些其他合金化元素，如硅、锰、铬、钼、铌、钒等，目的是进一步改善钢的淬透性及其他一些性能，如强度、韧性、回火脆性、疲劳性能、耐蚀性等。
钼可大大加强硼的淬透性作用，二者具有复合作用，特别是当钼、硼含量配比合适时可使钢在相当宽的冷速范围内经空冷得到贝氏体组织。
钼一硼系贝氏体钢就是根据这一现象设计出来的。
钢中的铌处于固溶状态下与硼具有一定的复合作用，对奥氏体转变产生强烈的抑制作用。
铌一硼的这种作用在控制轧制、直接淬火的钢中已经被利用。
4-2力学性能要求
结构钢40Mn2B的力学性能如下：
表4-1结构钢40Mn2B的力学性能
钢号
σb/MPa
σs/MPa
δ（%）
ψ（%）
αK/J·
cm-2
40Mn2B
885
735
12
45
55
4-3.基于材料的零件设计
基于材料的价值应用及性能，现将给定材料设计成连杆螺栓。
图4-1螺栓尺寸设计图
表4-2螺栓设计尺寸参数
单位
mm
标称直径d/mm
螺距P/mm
d1/mm
H/mm
B/mm
C/mm
D1/mm
r（最大）/mm
K（约）/mm
S/mm
L/mm
M12
1.75
12
9
21
24﹒2
20
0.5
2
22
18~130
4-3-1工作条件
连杆螺栓是发动机工作过程中最为关键的零部件，它与曲柄配合完成活塞运动，使发动机获得动力，连杆螺栓是紧固连杆大端及其端盖的重要部件，在工作过程中受到均匀拉伸应力的作用，由于曲柄旋转产生离心力的作用周期性变化，螺栓有受到反复的交变应力，活塞换向对连杆大端施加冲击，加上各种附加力的作用，其工作状况不容乐观。
4-3-2螺栓失效形式
螺栓失效形式为断裂和变形，其后果一是造成打碎气缸，二是无法正常工作，因此需要确保质量合格。
4-3-3工作要求：
1.预紧轴向拉伸应力；
2.曲轴旋转由于离心力的周期变化，螺栓承受交变应力的作用；
3.曲柄与连之间存在的间隙；
4.在发动机爆炸冲程中，承受较大的冲击载荷；
5.剪切应力的作用。
4-3-4螺栓的热处理工艺规范
根据螺栓连杆的工作特点，在气温、环境经常变化的条件下，情况比较复杂，螺栓要具有较低的冷脆转变温度和较小的延迟破坏敏感度，确保其安全服役，从以上分析可知，螺栓要具有足够的抗拉强度、屈服强度、良好的韧性、较高的疲劳强度以及一定的延伸率，只有这样才能缓冲应力集中，承受冲击载荷左的作用。
4-3-5技术要求
材料的淬火后硬度≥50HRC，心部95%为中等大小的马氏体组织；
回火后硬度为32～38HRC，抗拉强度为831MPa，屈服强度≥734MPa,延伸率≥10%，断面收缩率≥42%,冲击韧性≥48.8～55.7MPa。
心部为均匀一致的回火索氏体，允许有少量的游离态的铁素体。
4-3-6材料的选择
在紧固件制造中，正确选用紧固件材料是重要一环，因为紧固件的性能和其材料有着密切的关系。
如材料选择不当或不正确，可能造成性能达不到要求，使用寿命缩短，甚至发生意外或加工困难，制造成本高等，因此紧固件材料的选用是非常重要的环节。
冷镦钢是采用冷镦成型工艺生产的互换性较高的紧固件用钢。
由于它是常温下利用金属塑性加工成型，每个零件的变形量很大，承受的变形速度也高，因此，对冷镦钢原料的性能要求十分严格。
在长期生产实践和用户使用调研的基础上，结合
GB/T6478-2001《冷镦和冷挤压用钢技术条件》
GB/T699-1999《优质碳素结构钢》及日本
JISG3507-1991《冷镦钢用碳素钢盘条》的特点，以8.8级，9.8级螺栓螺钉的材料要求为例，各种化学元素的确定。
C含量过高，冷成形性能将降低；
太低则无法满足零件机械性能的要求，因此定为0.25%-0.55%。
Mn能提高钢的渗透性，但添加过多则会强化基体组织而影响冷成形性能；
在零件调质时有促进奥氏体晶粒长大的倾向，故在国际的基础上适当提高，定为0.45%-0.80%。
Si能强化铁素体，促使冷成形性能降低，材料延伸率下降定为Si小于等于0.30%。
S.P.为杂质元素，它们的存在会沿晶界产生偏析，导致晶界脆化，损害钢材的机械性能，应尽可能降低，定为P小于等于0.030%，S小于等于0.035%。
B.含硼量最大值均为0.005%，因为硼元素虽然具有显著提高钢材渗透性等作用，但同时会导致钢材脆性增加。
含硼量过高，对螺栓，螺钉和螺柱这类需要良好综合机械性能的工件是十分不利的。
表4-3螺栓性能要求与40Mn2B钢性能对比
Ak/J·
性能要求
831
734
10
42
48.8～55.7
4-4.热处理工艺设计
工艺路线：
下料--热冲六角头--正火--冷勒六角头--初劈头--热处理--车外圆--劈头--平头倒角--磨中径--表面发蓝处理
表4-440Mn2B钢热处理后性能和组织
热处理方法
力学性能
组织
σb/Mpa
δ×
100
Ak/J
HBS
正火
700～800
15～20
40～64
163～220
索氏体+铁素体
调质
750～850
20～25
64～96
210～250
回火索氏体
4-4-1热处理的目的
改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺中有三大基本要素：
加热、保温、冷却。
这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
加热是热处理的第一道工序。
不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。
加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。
另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
五个要素：
加热介质、加热速率、加热温度、保温时间和冷却速率（如下图所示）。
图4-2热处理工艺曲线示意图
保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。
保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。
一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。
冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。
钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
图4-3加热和冷却速度对钢的临界温度的影响
4-4-2预备热处理
主要目的：
保证零件的切削加工性能，可依据其碳质量分数和合金元素的种类、数量不同选择预备热处理。
合金元素质量分数低的调质钢，预备热处理一般采用正火或退火，细化锻造组织，改善切削性能。
合金元素质量分数高的调质钢空冷后得到马氏体，硬度高，不利于切削，需在空冷后再进行650～700℃的高温回火，得到回火索氏体组织，使硬度降至200HBW左右。
调质钢预备热处理主要有以下几种热处理：
预先热处理的调质件毛坯多半是锻件，也是铸件，在坯件原始组织中往往存在显微组织偏析，晶粒粗大和带状组织等缺陷，因此，为了改善调质钢的切削加工性及消除铸造、锻造等热加工不当而造成的不良组织和细化晶粒，防止最终热处理时变形或开裂，并为随后的调质处理做好组织准备，应预先进行退火或正火处理。
而含硼钢的预备热处理应采用正火+高温回火处理，因其在750℃左右慢冷易产生“硼脆”现象，应该避免采用退火处理。
对已产生“硼脆”的钢可采用高温（>
930℃）正火或淬火处理可以减轻或消除。
40Mn2B预备热处理：
正火，正火后得到粒状珠光体组织，使硬度降至200HBW左右，并为随后的调质处理做好组织准备。
正火是将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，去除材料的内应力，降低材料的硬度，获得接近平衡状态的组织。
正火，是加热后，空冷（空气中冷却），适用于低碳钢。
正火目的：
细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，减少成本、提高效率，采用正火处理。
4-4-3正火加热温度
钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1+（30-50）℃；
亚共析钢的加热温度为Ac3+（30-50）℃，且一般在空气炉中加热比在盐浴炉中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度应在区间813-856℃，在此选用840℃。
4-4-4正火加热与保温时间
对于圆柱形工件的有效厚度，但高度大于直径时，可按直径为有效厚度进行计算，工件的毛坯直径为12mm，即工件的有效厚度为Ｄ＝12mm，，对于40Mn2B钢，τ＝1.8*12=21.6min，因而本实验选择22分钟的加热保温时间。
表4-540Mn2B钢热处理临界温度和正火
40Mn2B临界温度
Ac1
Ac3
Ms
温度/℃
冷却方式
加热保温时间
Ar1
Ar3
Mf
713
776
——
820-
840℃
空冷
22min
珠光体+
铁素体
627
704
4-4-5最终热处理
调质钢的最终热处理大多采用调质处理，也有采用化学热处理、表面淬火+回火的热处理。
40Mn2B最终热处理：
淬火+回火，获得回火索氏体组织。
表4-640Mn2B钢淬火和回火
淬火
回火
表面硬度/HRC
介质
840-860
油
520～550
硝酸钾
50-56
淬火是将钢件加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体组织转变为马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
淬火的目的为：
a.提高钢的硬度和耐磨性；
b.提高钢的弹性极限；
c.提高钢的综合力学性能；
d.改善钢的特殊性能。
淬火的种类很多。
根据淬火时奥氏体化的程度不同，可分为完全淬火和不完全淬火等；
根据工件淬火的部位不同，可分为整体淬火、局部淬火和表面淬火；
根据淬火冷却方式的不同，可分为单液淬火、双液淬火、分级淬火、表面淬火；
根据淬火加热介质的不同，可分为盐浴淬火、高频淬火、火焰淬火等。
4-4-6淬火加热温度的确定
淬火加热温度主要是根据钢的相变临界点来确定。
对于亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（30-50℃），含锰合金调质钢比一般加热温度低10~15℃，促使这些碳化物加热溶解到奥氏体中。
若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体两相，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。
比Ac3高30-50℃的目的是为了是工件心部在规定的加热时间内保证达到Ac3点以上温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不至于粗大。
对于过共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac1+（30-50℃）。
当淬火加热温度在Ac1--Ac3之间时，加热状态为细小的奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳化物。
这种组织不仅有高的强度、硬度和高的耐磨性，而且也有很高的韧性。
如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。
由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。
高30-50℃的目的是为了保证工件内部各部分均达到Ac1点以上温度。
40Mn2B为亚共析钢，淬火加热温度宜取840-860℃。
表4-740Mn2B钢热处理和力学性能
钢号
热处理
力学性能（≥）
淬火/℃
回火/℃
A/%
Z/%
850
500
图4-4调质处理
4-4-7淬火加热与保温时间
炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，以保证必要的组织转变和扩散。
加热与保温时间一共有三部分组成：
由零件入炉到达指定工艺温度所需升温时间（τ1）、透热时间（τ2）以及组织转变所需时间（τ3）组成。
τ1+τ2由设备功率、加热介质以及工件尺寸、装炉数量等决定，τ3则与钢材的成分、组织以及热处理技术要求等有关。
常用的经验公式为：
τ=α·
K·
D
式中：
τ——加热时间，min；
α——加热时间系数，min/mm；
K——装炉量修正系数；
Ｄ——工件有效厚度，mm。
对于圆柱形工件的有效厚度，但高度大于直径时，可按直径为有效厚度进行计算，图１中的工件的毛坯直径为12mm，即工件的有效厚度为Ｄ＝12mm，加热系数α和装炉修正系数Ｋ见下表，对于40Mn2B钢，α＝1.5，Ｋ＝1.4，则τ＝1.5×
1.4×
12=25.2min，考虑到透热之后，还需要5min左右的组织转变时间，因而本实验选择30min的加热和保温时间。
4-4-8淬火介质的选择
40Mn2B钢的淬透性很好，不用水冷而采用油冷即可获得要求的组织和性能，同时可防止已钻孔的六角头部淬裂，表面和心部的硬度均为50HCR以上。
故对40Mn2B钢工件，由于其直径较小，选油作为淬火介质。
综上，淬火工艺参数为：
加热温度840-860℃，加热保温时间30min，油淬。
4-4-9回火工艺的设计
回火是将淬火后的钢，在Ac1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。
其目的是：
a.消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；
b.调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；
c.稳定组织与尺寸，保证精度；
d.改善和提高加工性能。
4-4-10回火冷却、回火温度和回火时间
选用520-550℃进行回火，保温时间为1.5h，加热介质为100%的硝酸钾，同时加入5%的氢氧化钾是为了防止螺栓的表面腐蚀现象的发生。
表4-840Mn2B钢调质处理参数
保温时间min
加热温度/℃
保温时间
/min
硬度HRC
850-870
30
520-550
90
井式炉冷
五、螺栓的热处理质量检测
螺栓的热处理质量检验是依据技术要求来进行的，主要有硬度、金相组织、表面脱碳层深度、表面清洁及力学性能等，相应的设备或仪器进行检测。
5-1硬度的检验设备及方法选择
5-1-1布氏硬度计
布氏硬度计的原理用一定直径的钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入式样表面，经规定保持时间后卸除试验力，测量试样表面的压痕直径。
布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商。
以HBS（钢球）表示，单位为N/mm2（MPa）。
测定布氏硬度较准确可靠，但一般HBS只适用于450N/mm2（MPa）以下的金属材料，对于较硬的钢或较薄的板材不适用。
在钢管标准中，布氏硬度用途最广，往往以压痕直径d来表示该材料的硬度，既直观，又方便。
5-1-2洛氏硬度计
洛氏硬度计原理在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。
卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。
以压痕残余深度h代表硬度的高低。
5-1-3外观检测和方法选择
同时观察外观，不允许有裂纹、开裂烧伤、磕碰、腐蚀等缺陷，必要时可用磁粉检测或其他无损检测方法检测。
5-1-4金相组织检验
用金相显微镜观察其组织，其金相组织应为均匀的回火索氏体，不允许存在游离的铁素体。
六、螺栓的常见热处理缺陷分析与对策
6-1表面脱碳产生原因：
加热过程中，加热介质有氧化性，在氧化性气氛中造成螺栓表面的氧化脱碳，出现粒状碳化物比心部少。
脱碳的存在将造成螺纹根部的塑性变形区强度的降低，其塑性低于心部，降低了抗疲劳强度，以及冷疲劳强度，在受力状态次下诱发裂纹，称为裂纹源。
防止措施：
（1）防止零件在加热过程中产生过热现象，根据选用的设备制定正确合理的热处理工艺参数；
（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时间，或采取预热等降低加热速度的措施，尽可能消除晶粒长大的因素；
3热处理过程中要严格控制炉中气氛，呈还原性或中性，防止表面脱碳的发生。
6-2游离铁素体过多或未溶的碳化物加热温度低或保温时间短，球状珠光体未转变为奥氏体组织，碳化物溶解不充分，淬火冷却时出现该类缺陷。
6-3过热及过烧其产生的原因如下：
加热温度过高，使晶界氧化或局部熔化。
（2）在操作过程中严格控制加热温度、保温时间，或采取预热等降低加热速度的措施，尽可能消除晶粒长大的因素。
七、回火缺陷的原因和控制
7-1回火硬度偏高：
由于回火不足，即回火温度低、回火时间不够。
可以提高回火温度、延长回火时间来解决。
7-2回火硬度低：
由于温度过高或淬火组织中有非马氏体。
可以降低回火温度和淬火工艺来解决。
7-3回火硬度不均匀：
回火炉温不均、装炉量过多造成。
7-4网状裂纹：
回火加热速度过快，表层产生多项拉应力。
可以采用较慢的回火加热速度。
7-5回火开裂：
淬火后未及时回火形成显微裂纹。
可以减少淬火应力，并在淬火后及时回火。
参考文献
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[5]樊新民、黄浩雯.热处理工艺与实践.机械工业出版社.2012年1月第一版
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