热处理工艺对30CrMnSiA组织Word格式文档下载.docx
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（1）30CrMnSiAsteelat1100℃-1160℃hightemperatureannealingprocess,withtheincreaseofannealingtemperature,thegrainsizeinthestructureofsteelincreases,butthehardnessdecreasedfirstandthenincreasedsharply.
（2）30CrMnSiAsteelat820℃-880℃temperaturequenchingconditions,thehardnessincreaseswiththeincreaseoftemperature,differentmediaconditionsafterquenching,air-cooledlowhardnessandwaterquenchinghardnessuptoHRC50.
（3）30CrMnSiAsteelduringtemperingat520℃,partofbodytoaustenitemartensite,hardnessdecreasedplasticityincrease.
Keywords:
High-temperatureannealing,quenching,tempering,30CrMnSiAsteel,quenchingmediu
第一章前言
1.1调质钢
所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢。
一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。
。
各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。
淬火成马氏体后在500~650℃之间温度范围内回火的调质处理用钢。
经调质处理后，钢的强度、塑性及韧性有良好的配合。
调质钢的成分是含碳0.25%～0.5%碳素钢或低合金钢和中合金钢，调质处理后的金相组织是回火索氏体。
应用最广的调质钢有铬系调质钢（如40Cr、40CrSi）、铬锰系调质钢（如40CrMn）、铬镍系调质钢（如40CrNiMo、37CrNi3A）、含硼调质钢等。
中碳调质钢碳含量0.3－0.5%，并含有一种或几种合金元素，具有较低或中等的合金化程度。
钢中合金元素的作用主要是提高钢的淬透性和保证零件在高温回火后获得预期的综合性能。
热处理工艺是在临界点以上一定温度加热后淬火成马氏体，并在500℃-650℃回火。
热处理后的金相组织是回火索氏体。
这种组织具有强度、塑性和韧性的良好配合。
中碳调质钢的质量要求：
除一般的冶金方面的低倍和高倍组织要求处，主要为钢的力学性能以及与工作可靠性和寿命密切相关的冷脆性转变温度、断裂韧性和疲劳抗力等。
在特定条件下，还要求具有耐磨性、耐蚀性和一定的抗热性。
由于调质钢最终采用高温回火，能使钢中应力完全消除，钢的氢脆破坏倾向性小，缺口敏感性较低，脆性破坏抗力较大，但也存在特有的高温回火脆性。
大多数调质钢为中碳合金结构，屈服强度（σ0.2）在490-1200Mpa。
以焊接性能为突出要求的调质钢，为低碳合金结构钢，屈服强度（σ0.2）一般为490-800Mpa，有很高的塑性和韧性。
少数沉淀硬化型调质钢，屈服强度（σ0.2）可到1400Mpa以上，属高强度和超高强度调质钢。
中碳调质钢的力学性能：
1．合金元素对力学性能的影响
淬透性能相同的钢调质到相同硬度时，抗拉强度基本相同，硬度与抗拉强度大致成直线关系。
各种成分的合金钢调质到各种硬度值时，硬度值为400HB（抗拉强度约为1400MPa）时，屈强比值最高，约为0.9，淬火状态
的组织对屈强比有很大影响。
调整增加钢材淬透性的合金元素的含量，可以得到相同的淬透性能，得到相同的抗拉强度和屈服强度。
因此，在选择合金元素时应优先选择增加淬透性能作用显著而价格较低的元素，如硼、锰、铬等。
但是合金元素不同的钢要调质到相同的硬度所采用的回火温度各不相同，即各种钢的抗回火性能不同。
淬透性能相同的钢调质到相同硬度时，抗拉强度和屈服强度虽基本相同，但是脆性破坏倾向差别很大，低温冲击试验尤为明显。
成分不同的钢调质后硬度与疲劳极限的关系不同。
硬度在35HRC以下时疲劳极限和硬度成直线关系，疲劳极限的波动范围为130MPa。
硬度超过35HRC时，疲劳极限的波动范围变宽。
如硬度为55HRC时，疲劳极限的波动范围达380MPa。
2．调质零件硬度的确定
零件的淬透情况相同时，调质后的硬度即可反映零件的屈服强度与抗拉强度，因此零件图纸和技术条件一般只规定硬度数值。
只有很重要的零件才规定其他力学性能指标。
调质零件硬度的确定，必须考虑到制造工艺的要求和使用时的载荷条件。
从制造工艺考虑，希望零件在毛坯状态调质，而后进行切削加工和装配。
这样零件热处理时产生的变形和脱碳在以后的切削加工中加以消除。
但是采用这种制造程序的零件，其硬度不能过高，一般不超过300HB，个别的不超过350HB，否则对切削加工不利。
要求硬度更高的零件（如有的汽车半轴要求硬度为341～415HB，只能先切削加工，然后再进行调质处理，这时零件加热时应防止脱碳和变形，有时热处理后要增加校直工序。
小批量或单件生产的零件，切削加工所允许的硬度可以适当提高。
确定调质零件硬度时还必须考虑到生产的特点，小批单件生产的产品，不同零件可以选定不同的硬度，大批量流水生产的工厂希望大部分零件的硬度范围一致或固定在几个硬度范围内，这对组织热处理生产有很大的方便。
从零件使用角度考虑，确定调质零件的硬度时要注意到零件的工作条件和零件的形状。
一般的讲，硬度值高，抗拉强度、屈服强度和光滑样品的疲劳强度都高，但是塑性指标降低，脆性破坏倾向和应力集中的敏感性增加，因此，当零件上有起应力集中作用的缺口（花键、槽或断面变化大）时，为使应力分布均匀、减少应力集中现象，这时较低的硬度反而可以获得较高的疲劳性能。
中碳调质钢的焊接性能：
⑴预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。
通常，35和45钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，
裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。
若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。
⑵焊条条件许可时优先选用碱性焊条。
⑶坡口形式将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。
如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。
⑷焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。
⑸焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。
消除应力的回火温度为600～650℃。
若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。
1.2中碳调质钢的热处理工艺
调质钢的发展和应用的势头异常迅猛。
特别是从20世纪60年代末以来，全世界钢产量基本保持年4%的增长率，调质钢的应用范围逐步扩大到了国民经济的各个领域。
调质钢之所以能得到如此迅猛的发展，一个重要的原因是其具有耐蚀，耐热性。
调质钢的热处理工艺的优劣对调质钢的耐蚀，耐热性有很大的影响，而且对调质钢的加工性能起着决定性的作用。
因此，调质钢的热处理工艺在调质钢的生产过程中一直处于十分重要的地位。
调质钢热处理的特点：
调质钢的热处理是为了改变其物理性能，力学性能，残余应力及回复由于预先加工和加热受到严重影响的抗腐蚀能力，以便得到最佳的使用性能或者使调质钢能够进行进一步的冷、热加工。
所谓的热处理就是针对不同组织，不同类型的调质钢进行相应的退火、淬火、回火、正火等处理。
调质钢是一种特殊的钢种，钢中镍、铬含量较高，由于镍、铬等合金化元素的存在，其热处理具有普通钢热处理所不具备的特点：
·
加热温度较高，加热时间也较长。
导热率较低，在低温时温度均匀性差。
炉内气氛控制很重要，要防止出现渗碳、渗氮以及脱碳和氧化现象。
钢的表面光泽对产品使用及价格有决定性的影响，热处理时产生的氧化皮将严重影响表面光泽。
要确保避免钢的表面的划伤及防止热处理产生的变形。
调质钢可分为低淬透性调质钢、中淬透性调质钢、较高淬透性调质钢、高淬透性调质钢这几类的热处理无论是处理方法还是目的都不尽相同。
完全退火状态较软，易于再加工。
通过适当的时效处理可获得要求的力学性能。
1.330CrMnSiA基本性质及用途
30CrMnSiA属中碳，强度高，焊接性能较差。
30CrMnSiA调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。
调质后该材料做砂轮轴，齿轮，链轮都可以。
30CrMnSiA具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。
用于轴类、活塞类零配件等。
用于汽车、飞机各种特殊耐磨零配件等。
主要化学成分包括碳C：
0.28%～0.34%，硅Si：
0.90%～1.20%，锰Mn0.80%～1.10%，硫S：
允许残余含量≤0.025%，磷P：
允许残余含量≤0.025%，铬Cr：
0.80%～1.10%，镍Ni：
允许残余含量≤0.030%，铜Cu：
允许残余含量≤0.025%。
30CrMnSiA是中碳调质钢，碳量0.25%～0.60%的碳素钢。
有镇静钢、半镇静钢、沸腾钢等多种产品。
除碳外还可含有少量锰（0.70%～1.20%）。
按产品质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
热加工及切削性能良好，焊接性能较差。
强度、硬度比低碳钢高，而塑性和韧性低于低碳钢。
可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。
淬火、回火后的中碳钢具有良好的综合力学性能。
能够达到的最高硬度约为HRC55（HB538），σb为600～1100MPa。
所以在中等强度水平的各种用途中，中碳钢得到最广泛的应用，除作为建筑材料外，还大量用于制造各种机械零件。
1.4本课题研究内容
热处理制度决定钢的组织和晶粒度，探究在不同的热处理工艺及处理温度下，30CrMnSiA的晶粒长大以及相组成变化情况，材料的力学性能以及耐蚀性等均与组织有很大关系，测定各个热处理条件下不同组织的性能后，可得到退火，淬火，回火不同的热处理工艺对此种钢组织与性能的影响，确定此钢的最佳热处理制度。
第二章试验方法
2.1试验目的
确定30CrMnSiA的热处理制度以及其强化方式，退火、淬火、回火3种不同的热处理工艺，使其性能达到使用要求。
2.2试验步骤
2.2.1对30CrMnSiA进行热处理
1将试样分别加热至1100℃、1120℃、1140℃、1160℃并保温1小时，随炉冷却至室温，进行高温退火处理；
2将1120℃退火试样分别加热至820℃、840℃、860℃、880℃进行淬火处理，淬火介质：
油；
3将在1120℃退火试样在860℃进行淬火，淬火介质分别为：
冷水、油、空冷、热水；
4将进行淬火处理的试样在520℃下保温1小时，空冷至室温，进行回火处理；
2.2.2磨样、抛光、腐蚀
将热处理后的30CrMnSiA试样分别用200、400、600、800、1000、1200#砂纸打磨，随后运用抛光液在抛光机上对试样进行粗抛以及精抛，最后用三氯化铁溶液腐蚀试样表面。
2.2.3分析组织
采用金相光学显微镜观察其显微组织，并用X射线衍射仪分析30CrMnSiA组织的物相变化。
2.2.4测量试样性能
分别测量不同热处理工艺条件下试样的硬度、密度以及晶粒尺寸。
试验流程如图2-1所示：
试样
热处理（高温退火、淬火、回火）
磨样、抛光、腐蚀
金相显微光镜
X射线衍射分析
2.3试验所用设备
FA-2004型分析电子天平；
ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉；
SK-2.5-13型单管定炭炉；
D/max-2500型X射线衍射仪；
DSC-204F1型差示扫描热量仪；
SX-12-10型箱式电阻炉；
OLMPUS-BX51光学显微镜；
XJB-1型立式金相显微镜。
第三章实验结果及分析
3.1退火对30CrMnSiA组织性能的影响
3.1.130CrMnSiA的退火
退火目的是为了均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并未淬火作组织上的准备。
30CrMnSiA硬度较大，性能稳定，所以退火加热温度较高，加热时间也较长。
3.1.230CrMnSiA退火工艺具体操作
研究退火工艺及不通过处理温度对30CrMnSiA的相组织、晶粒长大情况、硬度以及密度的影响。
高温退火时炉内气氛控制很重要，要防止出现渗碳、渗氮和过氧化现象，所以在1100℃、1120℃、1140℃、1160℃退火时，使用真空烧结炉处理试样，加热到所需温度保温1h后，随炉冷却至室温，然后取出。
3.1.3退火处理后30CrMnSiA的晶粒
分别在1100℃、1120℃、1140℃、1160℃条件下退火后的试样经打磨、抛光以及腐蚀后，为了分析30CrMnSiA的晶粒尺寸变化情况，用金相显微光镜分析，分析结果如图3-1和3-2所示：
图3-130CrMnSiA在高温退火处理后的晶粒变化
（a）1100℃（b）1120℃（c）1140℃（d）1160℃
图3-230CrMnSiA在高温退火处理后的晶粒变化（1000X）
由图3-1和3-2的金相组织可以看出，退火温度较低时晶粒比较细小，晶界比较清晰，随温度升高，部分晶粒之间发生晶界融合现象，晶粒逐渐长大。
3.1.430CrMnSiA退火后相分析
为了更清楚了解高温退火后30CrMnSiA晶粒内组织变化，对退火后的30CrMnSiA进行了XRD分析，分析结果如图3-3所示：
图3-330CrMnSiA在高温退火处理后的XRD分析
表3-1退火后30CrMnSiA的硬度、密度
从图3-3可以看出经与Fe-CrPDF比对试样110面α相44.6002接近Fe-Cr44.484;
试样200面α相64.873与Fe-Cr64.777接近；
试样211面α相82.315与Fe-Cr81.983接近。
试样经退火后Fe-Cr相晶面衍射强度逐渐增强，30CrMnSiA经退火后组织主要由大量奥氏体以及少量马氏体组成；
30CrMnSiA晶粒中有Cr-Fe-O相析出。
3.1.5退火后30CrMnSiA的硬度、密度
温度℃
1100
1120
1140
1160
压痕平均直径mm
1.91
2.0
1.80
硬度HBW
252
229
285
密度g/cm³
7.9366
7.9577
7.9418
7.9226
分别测量了30CrMnSiA退火后的硬度和密度，测量结果列于表3-1中；
硬度、密度随退火温度的变化如图3-4所示：
图3-4退火后30CrMnSiA的硬度及密度
图3-4显示随着退火温度的升高，硬度呈开口向上的抛物线规律变化，从1100℃-1120℃逐渐减小，1120℃达到最小值，随后温度升高硬度逐渐增加；
密度与硬度的变化相反，随退火温度的升高，密度呈开口向下的抛物线规律变化，从1100℃-1120℃退火时，Cr-Fe-O相逐渐溶于奥氏体中，所以硬度逐渐减小，而密度逐渐增大；
在1120℃-1160℃退火时，奥氏体中有大量Cr-Fe—O相析出，致使30CrMnSiA的硬度增加，密度减小。
3.1.6退火对30CrMnSiA组织与性能影响的结论
晶粒尺寸随退火温度的升高逐渐增大；
随退火温度的升高，硬度呈开口向上的抛物线规律变化，从1100℃-1120℃逐渐减小，至1120℃达到最小值，随后随温度升高硬度逐渐增加；
密度与硬度的变化相反，随退火温度的升高，密度呈开口向下的抛物线规律变化，从1100℃-1120℃逐渐增加，至1120℃到达最大值，随后随温度的升高密度逐渐减小。
从金相组织可以看出，退火温度较低时，晶粒比较细小，境界比较清晰，随着退火温度的升高，部分晶粒之间发生晶界融合现象，晶粒逐渐长大，随晶粒的长大，材料的强度、硬度、塑性和韧性都会下降。
3.2淬火对30CrMnSiA组织性能的影响
3.2.1淬火的目的
淬火主要是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同回火温度获得各种需要的性能。
30CrMnSiA常温下主要是由大量奥氏体相和少量马氏体相组成的，通过淬火可以获得更多的马氏体组织，从而达到提高硬度的效果，实验分2组，2组都取1120℃退火后试样分别进行淬火，1组在820℃、840℃、860℃、880℃4个温度进行油淬；
另1组在860℃下分别进行空冷、油淬、冷水淬、热水淬。
3.2.2淬火工艺的具体操作
本文主要探究淬火工艺对30CrMnSiA的相组成、硬度以及密度的影响。
第一组实验分别在820℃、840℃、860℃、880℃下进行，用XX炉处理，首先将试样加热到所需温度，然后保温30min，随后迅速取出，放入油中淬火。
第二组实验在860℃下保温30min，，随后迅速取出，分别放入油中、冷水中、热水中和室温中淬火。
3.2.3淬火后30CrMnSiA的晶粒
分别在820℃、840℃、860℃、880℃条件下油淬后的试样经打磨、抛光以及腐蚀后，为了分析30CrMnSiA的晶粒尺寸变化情况，用金相显微光镜分析，分析结果如图3-5和3-6所示：
图3-5820℃、840℃、860℃、880℃条件下油淬的组织（1000X）
（a）820℃（b）840℃（c）860℃（d）880℃
图3-6820℃、840℃、860℃、880℃条件下油淬的组织（500X）
在860℃下分别进行空冷、油淬、热水淬、冷水淬的试样经打磨、抛光以及腐蚀后，为了分析30CrMnSiA的晶粒尺寸变化情况，用金相显微光镜分析，分析结果如图3-7和3-8所示：
图3-7860℃空冷、油淬、热水淬、冷水淬的组织（1000X）
（a）空冷（b）油淬（c）冷水淬（d）热水淬
图3-8860℃空冷、油淬、热水淬、冷水淬的组织（500X）
3.2.430CrMnSiA淬火后相分析
为了分析30CrMnSiA淬火后的组织变化，淬火后不锈钢经打磨、抛光、腐蚀之后，对860℃油淬试样进行XRD分析,分析结果如图3-9所示
图3-930CrMnSiA在油淬处理后的XRD谱
从图3-930CrMnSiA的XRD分析可以中看出，经与Fe-CrPDF比对试样110面α相44.090接近Fe-Cr44.484;
试样200面α相64.88167与Fe-Cr64.777基本重合；
试样211面α相82.258与Fe-Cr81.983接近。
固溶状态下，奥氏体组织中有Cr-Fe-O相析出。
3.2.5淬火后30CrMnSiA的硬度和密度
淬火后分别测量了30CrMnSiA的硬度和密度，测量结果见表3-2及表3-3，硬度和密度随温度变化关系图见图3-10和3-11以及图3-12
温度（℃）
820
840
860
880
硬度HRC
37.5
40
46.75
47
密度（g/cm³
）
7.9564
7.9439
7.9154
7.8903
表3-31120℃退火+不同介质下淬火的硬度及密
介质
空冷
油淬
热水淬
冷水淬
25.7
49
50
7.9338
7.9019
7.9177
表3-21120℃退火+不同温度下油淬的硬度及密度
由表3-2可以看出试样硬度随着淬火温度的升高而升高而密度变化相反；
表3-3可以看出冷水淬后硬度最高达到HRC50而空冷后硬度最低只有HRC25.7。
图3-101120℃退火+不同温度下油淬的硬度及密度
图3-111120℃退火+860℃不同介质下淬火的硬度
图3-121120℃退火+860℃不同介质淬火的密度
从图3-9可以看出，随着淬火温度的升高，30CrMnSiA的硬度表现为逐渐上升的趋势，880℃达到最大值。
而密度变化规律相反，这是由于在820℃-880℃淬火过程中马氏体含量增加，使得硬度上升，密度下降；
介质的不同对淬火后硬度有显著
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