T10A鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響(DOC 29頁).doc

畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 題 目 T10AT10A 鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響 學院 專業(yè) 班級 學號 學生姓名 導師姓名 完成時間 誠 信 聲 明 本人聲明 1 本人所呈交的畢業(yè)設計 論文 是在老師指導下進行的 研究工作及取得的研究成果 2 據(jù)查證 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 畢業(yè) 設計 論文 中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果 也不 包含為獲得其他教育機構(gòu)的學位而使用過的材料 3 我承諾 本人提交的畢業(yè)設計 論文 中的所有內(nèi)容均 真實 可信 作者簽名 日期 年 月 日 畢畢業(yè)業(yè)設設計計 論論文文 任任務務書書 題目 T10A 鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響 姓名 學院 專業(yè) 材料成型 班級 學號 2 指導老師 職稱 教研室主任 一 基本任務及要求 1 分析 歸納 T10A 鋼的成分特點 組織轉(zhuǎn)變規(guī)律 熱處理工藝及主要工藝參數(shù) 性 能特點及應用 2 確定 T10A 鋼常用的球化退火工藝及其主要參數(shù) 畫出其球化退火工藝曲線 并分 析其將獲得的金相顯微組織及大致的硬度 3 根據(jù)所確定的球化退火工藝及其主要參數(shù) 進行 T10A 鋼的球化退火工藝操作和試 驗研究 測定球化退火后的硬度 分析其硬度變化的原因 4 對球化退火后的 T10A 樣品進行金相顯微組織分析 確定其金相顯微組織的基本組 成 并分析其球化退火工藝及其主要參數(shù)對顯微組織和硬度的影響規(guī)律 二 進度安排及完成時間 1 2012 年 2 月 27 日 3 月 18 日 查閱資料 撰寫文獻綜述和開題報告 2 2012 年 3 月 19 日 4 月 01 日 課題調(diào)研 資料收集 方案設計 3 2012 年 4 月 02 日 4 月 29 日 試驗研究及結(jié)果分析 4 2012 年 4 月 30 日 5 月 20 日 撰寫畢業(yè)論文 5 2012 年 5 月 21 日 6 月 03 日 將畢業(yè)論文送指導教師審閱 評閱教師評閱 6 2012 年 6 月 04 日 6 月 17 日 畢業(yè)論文答辯和資料整理 目目 錄錄 摘要 Abstract 第 1 章 緒論 1 1 1 引言 1 1 2 論文研究背景及目的 2 1 3 本課題的研究內(nèi)容及試驗手段 3 第 2 章 試驗過程及分析 4 2 1 球化退火工藝方案 4 2 2 試驗設備 4 2 3 試驗過程 7 2 3 1 試樣的準備 7 2 3 2 試樣的熱處理工藝過程 7 2 3 3 試樣硬度值的測試 12 2 3 4 試樣的磨制 12 2 3 5 試樣的拋光 13 2 3 6 試樣的浸蝕 14 2 3 7 顯微組織的觀察 14 第 3 章 試驗結(jié)果及分析 15 3 1 力學性能試驗 15 3 2 金相顯微組織分析 15 3 3 球化退火的綜合分析及其實際應用 18 結(jié)論 21 參考文獻 22 致謝 23 I T10AT10A 鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響鋼球化退火工藝對組織和硬度的影響 摘 要 通過試驗分析 T10A 鋼的成分 組織 性能以及應用 并對 T10A 鋼進 行普通球化退火和等溫球化退火處理 接著對熱處理后的試樣進行硬度測試和 顯微組織觀察分析 研究普通球化退火和等溫球化退火工藝對 T10A 鋼在組織 性能及應用方面的影響 結(jié)果表明 T10A 鋼球化退火后得到了在鐵素體基體上 均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織 T10A 等溫球化退火后的硬度略低于普 通球化退火處理后的硬度 硬度隨球化退火溫度的升高而升高 T10A 等溫球化 退火后的組織較于普通球化退火處理后的的組織更加均勻 因此等溫球化退火 的切削性能比普通球化退火鋼更佳 等溫球化退火的綜合力學性能優(yōu)于普通球 化退火 關鍵詞 T10A 鋼 球化退火 顯微組織 II Influence to Structure and Hardness of T10A Spheroidizing Annealing Process Abstract Firstly testing and analysing the composition microstructure properties and application of the T10A Then do ordinary spheroidizing annealing and isothermal spheroidizing annealing to it Thirdly do the hardness test and microstructure observation and analysis to the heat treated samples Through all of those methods explore the influence of ordinary spheroidizing annealing and isothermal spheroidizing annealing to the structure properties and applications of T10A The results is that after T10A steel ball annealing there is globular or granular carbide organization which is uniformly distributed in the ferrite matrix After isothermal spheroidizing annealing the hardness of T10A is slightly lower than that after ordinary ball annealing And it became harder with the rising of spheroidizing annealing temperature After isothermal spheroidizing annealing the structure of T10A become more uniform than that after ordinary organization So the cutting performance of T10A after isothermal spheroidizing annealing is better than after ordinary spheroidizing annealing and the comprehensive mechanical properties are also better Key Words T10A steel Ball annealing microstructure 1 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 引言 鋼鐵材料在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位 它們的應用非常廣泛 在實際使用 或生產(chǎn)加工過程中 人們對鋼鐵材料提出了各種不同的性能要求 單憑原始材料的性能 已經(jīng)滿足不了工程技術上的要求 例如 為了便于切削加工就要求材料的硬度適當降 低 以節(jié)約機械加工時的刀具消耗和提高勞動生產(chǎn)率 為使零件耐磨損 延長使用壽 命 就要求其具有較高的硬度 為使零件能在有腐蝕性氣體的環(huán)境中長期工作 就要 求其具有一定的耐腐蝕性等 為滿足這些性能要求 除了合理地選用材料外 還要進 行熱處理 如此才能充分發(fā)揮鋼鐵材料的性能特點 由此可知 熱處理在機械制造業(yè) 中占有十分重要的地位 熱處理是機械工業(yè)的一項重要基礎技術 通常如軸 軸承 齒輪 連桿等重要的 機械零件和工模具都是要經(jīng)過熱處理的 而且 只要選材合適 熱處理得當 就能使 機械零件和工模具的使用壽命成倍 甚至十幾倍的提高 熱處理對于充分發(fā)揮金屬材 料的性能潛力 提高產(chǎn)品的質(zhì)量 節(jié)約材料 減少能耗 延長產(chǎn)品的使用壽命 提高 經(jīng)濟效益都具有十分重要的意義 據(jù)統(tǒng)計 在機床制造中有 60 70 的零部件要經(jīng) 過熱處理 在汽車 拖拉機制造中有 70 90 的零部件要經(jīng)過熱處理 各種工具和 滾動軸承等則 100 的要進行熱處理 1 隨著近幾年機械切削加工和冷鐓模的高速發(fā)展 刀具材料及模具材料的發(fā)展也非 常迅速 出現(xiàn)了很多新型的材料 其中碳素工具鋼 特別是 T10A 所獨有的價格便宜 易切削 耐磨等特點使其在刀具及冷鐓模中依然占有很大比例 但碳素工具鋼的一些 缺陷也使得它在發(fā)展迅速的機械行業(yè)有一定的局限性 通過低淬透性冷作模具鋼 高級高碳工具鋼 優(yōu)點是可加工性能好 價格便宜 來源容易 但是淬透性較差 淬火變形大 因為鋼中含有合金元素少 回火抗力低 因而承載能力低 雖有高的硬度和耐磨度 但是小截面工件韌性不足 大截面段坯有 殘余網(wǎng)狀碳化物傾向 完全球化的最低加熱溫度 740 最佳等溫溫度 690 720 出現(xiàn)片狀碳化物的加熱溫度 780 受熱軟化溫度 250 淬硬深度為水淬 15 18mm 油淬 5 7mm 該鋼在退火狀態(tài)下進行粗加工 然后淬火低溫回火至高 硬度 再精加工 獲得高的耐磨性和鏡面拋光性 進行低碳馬氏體低溫淬火 使具有 較高的耐磨星河強韌性 預防和減少變形和開裂現(xiàn)象 2 2 1 2 論文研究背景及目的 熱處理工藝一般分為最終熱處理和預先熱處理 預先熱處理是為了消除或改善前 道工序引起的某些缺陷 為最終熱處理最好準備 退火和正火是工件預先熱處理的主 要手段 鋼的退火和正火均為普通熱處理的基本工藝 主要用于鑄 鍛 焊毛坯的預 先熱處理 以及改善機械零件毛坯的切削加工性能 球化退火是不完全退火的一種特 例 球化退火是不完全退火的一種特例 目的是將共析及過共析鋼中的片狀碳化物轉(zhuǎn) 變?yōu)闋钐蓟?使之均勻分布于鐵素體基體上 碳化物由片狀變?yōu)榍驙詈笥幸韵聝?yōu)點 硬度降低 使鋼的可加工性得到改善 加 熱時球化碳化物溶入奧氏體較慢 奧氏體晶粒不容易長大 故有較寬的淬火溫度范圍 淬火后得到隱晶馬氏體 殘留奧氏體量較少 并保留一定量的細小均勻分布的球化碳 化物 淬火開裂傾向性較小 塑性 韌性較好 冷成形加工得到改善 球化退火主要用于碳含量高于 0 6 的高碳工具鋼及軸承鋼等 目的是改善可加工 性 并為最終熱處理做好組織準備 有時為改善低中碳鋼的冷成形性 也可采用球化 退火 6 實踐表明 加熱時奧氏體成份越不均勻 退火后越容易得到球化組織 將過共析 偽片狀珠光體加熱到略高于 Ac1溫度短時間保濕后 得到奧氏體加未溶滲碳體 此時 滲碳體已不是完整的片狀 而是厚薄不平 凹凸不平 有些地方已經(jīng)溶解斷開 延長 保濕時間 這些未溶滲碳體將漸趨向于球化 T10A 鋼是一種應用廣泛的工具 量具 冷作模具鋼 它具有高硬度 高強度 高 耐磨性和淬火變形小等優(yōu)點 9 然而 由于其硬度值較高 難以進行切削加工 故在生 產(chǎn)中用 T10A 鋼制作冷鐓凸模時極易出現(xiàn)崩刃 折斷及淬火開裂等現(xiàn)象 因此在實際 的工業(yè)生產(chǎn)中 經(jīng)常采用等溫球化退火的方法來細化晶粒 降低硬度 改善切削加工 性能 為淬火做好組織上的準備 但常規(guī)的等溫球化退火工藝方法 由于加熱溫度高 保溫時間長 工藝復雜 使 T10A 鋼中碳化物仍呈粗細不同 大小不一 分布不均的 現(xiàn)象 而它們是引起變形開裂的主要原因 直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能 故進 一步改善 T10A 鋼的切削加工性能 預防開裂傾向已成為工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題 1 3 本課題的研究內(nèi)容及試驗手段 本課題通過了解T10A鋼的成分 組織 性能 應用等方面的基本知識 以相關金 屬學與熱處理及金屬材料學的理論作為指導 擬定了T10A鋼的完全退火和正火工藝 3 并通過實際的熱處理工藝進行試驗操作 分析普通球化退火與等溫球化退火對T10A鋼 的組織和性能的影響 并通過分析其金相顯微組織及組成 測定硬度值來對T10A鋼普 通球化退火和等溫球化退火工藝 從使用性 工藝性 經(jīng)濟性三個方面進行綜合 分析 并說明其在實際生產(chǎn)中的主要應用方向 其中所包含的試驗操作或操作程序有 準備 T10A 鋼的試驗樣品 擬定 3 組試樣進行三個不同加熱溫度的等溫球化退火處理 其中加熱溫度分別 為 740 760 780 保溫 40min 在 690 下等溫 30min 試樣隨爐冷卻到 520 后 出爐空冷 然后分別制備經(jīng)不同溫度完全退火后的金相試樣 并進行顯微組織觀察 拍照顯微組織圖 采用洛氏硬度計測定完全退火后的試樣的硬度值 擬定 3 組試樣進行普通球化退火處理 其中加熱溫度分別為 740 760 780 保溫 40min 試樣隨爐冷卻到 520 后出爐空冷 然后分別制備經(jīng)不同溫度正火 后的金相試樣 并進行顯微組織觀察 拍照顯微組織圖 采用洛氏硬度計測定正火后的試樣的硬度值 根據(jù)試驗數(shù)據(jù) 對比 T10A 鋼等溫球化退火與普通球化退火處理后的組織和性 能 從而總結(jié)其在實際生產(chǎn)中的應用 4 第第 2 2 章章 試驗試驗過程及分析過程及分析 2 1 球化退火工藝方案 本文研究的是T10A鋼 T10A鋼球化退火處理后 所得到在鐵素體基體上均勻分布 的球狀或顆粒狀碳化物的組織 本實驗設置了六組實驗參數(shù)不一樣的參數(shù)對試樣進行 了等溫球化退火處理 完全等溫球化退火溫度分別為740 760 780 保溫時間 40min 其中等溫度為690 等溫時間為30min 隨爐冷卻到溫度為500 時再出爐空 冷 同時 為使T10A鋼等溫球化退火工藝和普通球化退火工藝有效得進行對比 本實 驗設置了三組加熱溫度和等溫球化退火分別一致的實驗參數(shù)進行正火處理 T10A鋼球 化退火與普通球化退火處理的工藝方案如下表2 1和表2 2所示 表表2 12 1 T10AT10A鋼試樣等溫球化退火工藝方案鋼試樣等溫球化退火工藝方案 項目加熱溫度 保溫時間 min等溫溫度 等溫時間 min冷卻方式 方案一7404069030隨爐冷至520 后出爐空冷 方案二7604069030隨爐冷至520 后出爐空冷 方案三7804069030隨爐冷至520 后出爐空冷 表表2 22 2 T10AT10A鋼試樣普通球化退火工藝方案鋼試樣普通球化退火工藝方案 項目加熱溫度 保溫時間 min冷卻方式 方案一74040隨爐冷至520 后出爐空冷 方案二76040隨爐冷至520 后出爐空冷 方案三78040隨爐冷至520 后出爐空冷 2 2 試驗設備 1 箱式電阻爐 所用型號為 SRJX 3 9 電阻爐是利用電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量來加熱工件 同 時用熱電偶等電熱儀表控制溫度 操作簡單 溫度準確 這類爐子的爐料一般在空氣 介質(zhì)中加熱 無機械化裝置 供小批量的工件淬火 正火 退火等常規(guī)熱處理之用 如圖 2 1 所示 5 圖 2 1 箱式電阻爐 2 HRS 150HRS 150 型數(shù)顯洛氏硬度計 用來測試完全退火試樣和正火處理試樣的硬度值 如圖 2 2 所示 圖 2 2 HRS 150 型數(shù)顯洛氏硬度計 3 金相粗磨砂紙 所用型號為 180 用來去除 20 鋼原材料表面的氧化物 為下一步手工細磨做準備 4 金相細磨砂紙 所用金相砂紙的號數(shù)為 01 02 03 04 05 用來對試樣進行手工細磨 以便快 速制備金相試樣 5 金相試樣機械拋光機 所用型號為 P 2 對金相試樣進行拋光處理 消除磨面上的磨痕及金屬擾亂層 以 便制出平整 光亮 無痕的金相磨面 如圖 2 3 所示 6 圖 2 3 金相試樣拋光機 6 4XB4XB 型金相顯微鏡 對試樣進行顯金相微組織觀察和分析 如下圖 2 4 所示 圖 2 4 4XB 型金相顯微鏡的外形結(jié)構(gòu)圖 7 金相分析儀 選用 GX60 DS 型金相綜合分析系統(tǒng) 配備有高倍 中倍 低倍三個高質(zhì)量物鏡和 數(shù)碼視頻采集與處理硬件 并配套有專用的微機和金相分析專業(yè)軟件 觀察金相顯微 組織 拍照保存特征相圖 金相分析儀如圖 2 5 所示 7 圖 2 5 金相分析儀 2 3 試驗過程 試驗通過對 T10A 鋼分別進行等溫球化退火和普通球化退火處理 然后對熱處理 后的 T10A 鋼進行硬度測試和顯微組織分析 來研究完全退火與正火工藝處理對 T10A 鋼的組織和性能的影響 采用的具體工藝流程如圖 2 6 所示 圖 2 6 T10A等溫球化退火與普通球化退火工藝對比分析試驗流程圖 2 3 1 試樣的準備 原材料試樣是將給定的材料 尺寸為 30mm 的 T10A 鋼棒 制備為可供后續(xù)試 驗運用的試樣 本次試驗共做這樣的試樣 6 個 為后面的試驗做好充分的準備 2 3 2 試樣的熱處理工藝過程及原理 1 T10A 鋼的特點 T10A 鋼的特點 此鋼強度及耐磨性均較 T8 和 T9 高 但熱硬性低 淬透性不高 且淬火變形大 適于制造切削條件差 耐磨性要求較高 且不受劇烈振動 需要一定 韌性及具有鋒利刀口的各種工具 如車刀 刨刀 鉆頭 切紙機 低精度而外形簡單 的量具 如卡板等 可用作不受較大沖擊的耐磨 通用低淬透性冷作模具鋼 高級高 8 碳工具鋼 優(yōu)點是可加工性能好 價格便宜 來源容易 但是淬透性較差 淬火變形 大 因為鋼中含有合金元素少 回火抗力低 因而承載能力低 雖有高的硬度和耐磨 度 但是小截面工件韌性不足 大截面段坯有殘余網(wǎng)狀碳化物傾向 完全球化的最低 加熱溫度 740 最佳等溫溫度 690 720 2 T10A 球化退火組織轉(zhuǎn)變規(guī)律 加熱時奧氏體成分越不均勻 退火后越容易得到球化組織 將過共析鋼為片 狀珠光體加熱到略高于 Ac1溫度短時間保溫后 得到奧氏體加未溶滲碳體 此時滲碳 體已不是完整的片狀 而是厚薄不均凹凸不平 有些地方已經(jīng)溶解斷開 延長保溫時 間 這些未溶滲碳體將逐漸趨于球化 將鋼從加熱溫度緩冷至 Ar1以下 奧氏體將同時 析出碳化物及鐵素體 即珠光體轉(zhuǎn)變 加熱時形成球狀碳化物質(zhì)點以及奧氏體中含碳 量較高的部分將成為碳化物核心 長大成球狀碳化物 最終得到在鐵素體基體上均勻 分布著球狀碳化物的球狀珠光體 3 球化退火工藝及目的 球化退火的具體工藝有 普通 緩冷 球化退火 緩冷適用于多數(shù)鋼種 尤其 是裝爐量大時 操作比較方便 但生產(chǎn)周期長 等溫球化退火 適用于多數(shù)鋼種 特別是難于球化的鋼以及球化質(zhì)量要求高的鋼 如滾動軸承鋼 其生產(chǎn)周期比普通球 化退火短 不過需要有能夠控制共析轉(zhuǎn)變前冷卻速率的爐子 周期球化退火 適用 于原始組織為片層狀珠光體組織的鋼 其生產(chǎn)周期也比普通球化退火短 不過在設備 裝爐量大的條件下 很難按控制要求改變溫度 故在生產(chǎn)中未廣泛采用 低溫球化 退火 適用于經(jīng)過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼 后者通常稱為高溫軟化回火 形變球化退火 形變加工對球化有加速作用 將形變加工與球化結(jié)合起來 可縮短 球化時間 它適用于冷 熱形變成形的鋼件和鋼材 如帶材 是在 Acm或 Ac3與 Ac1之 間進行短時間 大形變量的熱形變加工者 本實驗由于時間及設備原因主要研究普通 球化退火和等溫球化退火對 T10A 對組織和硬度的影響 球化退火是使鋼獲得彌散分布于鐵索體基體上的細粒狀 球狀 碳化物組織 其目 的為改善切削性能 減小淬火時的變形開裂傾向性 為鍛件得到相當均勻的最終性能 球化退火主要應用于軸承零件 刀具 冷作模具等的預備熱處理 以改善切削加工性 能及加工精度 消除網(wǎng)狀碳化物所引起的工具的脆斷和刃口崩落 提高軸承的接觸疲 勞壽命等 中碳及中碳合金鋼只當要求硬度極低而韌性極高 例如用于冷沖壓坯料 時 才用球化退火 低碳鋼 般不進行球化退火 否則由于硬度過低 160 170HBS 反而使切削加上性能變壞 在工具鋼及軸承鋼碳化物球化的概念中 應該包括一次碳化物 二次碳化物 由奧 9 氏體中析出 及共析碳化物這三方面的球化 一次碳化物系鑄錠柱晶偏析所引起的亞穩(wěn) 定奧氏體結(jié)晶產(chǎn)物 顆粒尺寸較大 常沿軋制方向分布 形成偏析碳化物帶 硬度高 脆性大 易造成淬火裂紋 使鋼的耐磨性變差 以至工件在使用中造成表面脫落或中 心破裂 一次碳化物的球化主要需要合理的鍛造工藝 例如反復拉拔 相當大的總鍛造 比在十幾 二十幾以上 和適當?shù)母邷財U散退火來得到 二次碳化物及共析鋼化物的球化與鍛造過程有關 為了使退火后能獲得均勻分布 的粒狀碳化物 鍛造后的組織應為細片狀珠光體及細小網(wǎng)狀碳化物 或含有少量馬氏體 如果終鍛溫度過高或冷卻太慢 則易引起大網(wǎng)狀碳化物 退火中無法消除 如退火溫 度太低 800 碳化物易沿晶界變形方向析出而形成線條狀組織 退火后將有方向 性 使工性能變壞 珠光體片較細時 球化退火時可采用較低的溫度和較短的時間 退火溫度愈低 則溶解的碳化物數(shù)量越多 容易獲得均勻分布的細粒狀珠光體組織 珠光體片較粗時 在正常退火工藝情況 T2 不易獲得均勻的細粒狀珠光體 因此 為了 得到良好的球化組織 必須嚴格控制鍛造工藝過程 球化退火的目的 軟化毛坯 球狀碳化物比片狀碳化物切削阻力要小 車刀對 球狀碳化物切削的幾率也比片狀的要小有利于切削加工 為淬火提供理想的預備組 織 碳化物球化后在淬火加熱時不易熔解未溶的碳化物起阻礙晶粒長大的作用細化了 淬火馬氏體組織 提高了材料的韌性 4 影響球化質(zhì)量的因素 化學成份的影響 碳素工具鋼隨著含碳量的增加 碳化物的數(shù)量增多 可獲得 球狀碳化物的奧氏化的加熱溫度范圍增大 原始組織的影響 奧氏體越細 在奧氏 體化時的殘留碳化物顆粒也越多 冷卻時的球化核心也越多 球化效果越好 反之球 化效果越差 加熱溫度和加熱時間的影響 當加熱溫度比較低 如稍高于 Ac1 且加 熱時間較短時 原片狀珠光體中的碳化物溶解不夠充分 退火后將得到細粒狀加細片 狀混合的珠光體組織 通常稱為 欠熱組織 當球化退火加熱溫度過高時 碳化物 大量解入奧氏體 殘留碳化物數(shù)量減少 奧氏體成分趨向均勻 因形成球狀碳化物的 核心減少 退火后將得到部分或全部粗大片狀珠光體 這就是 過熱組織 欠熱組織 和過熱組織相比較 欠熱組織層片間的尺寸短小 當珠光體片層間距稍大時 片的尺 寸仍然短小彎曲 過熱組織的片間距大 片長且直 即使片間距小 片的形態(tài)仍然是 長而直的 冷卻速度的影響 在球化的冷卻條下 冷卻速度慢或等溫溫度高時 碳 化物顆粒聚集尺寸增大 冷卻速快或等溫溫度低時 因過冷度增大 碳化物形核率增 加 加之聚集不充分 所得碳化物的顆粒細小 15 10 表表 2 32 3 T10A 鋼的牌號 化學成分和力學性能鋼的牌號 化學成分和力學性能 化 學 成 分 鋼號 CSiMnPS T10A0 95 1 04 0 35 0 40 0 030 0 020 冷卻速度是影響球化效果的又一因素 冷卻速度的大小直接影響到粒狀碳化物的 顆粒大小和均勻性 當加熱溫度一定時 冷卻速度越小 奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變時在高 溫區(qū)經(jīng)歷時間越長 析出的碳化物進行擴散 聚集的時間就會越充分 形成的碳化物 顆粒就越大而且均勻 反之 就會得到硬度偏高的細粒狀組織 對切削加工不利 5 球化退火球化過程 球化過程 球化過程是一個比較緩慢的過程 原始組織為球狀珠光體的鋼 剛加熱 到 Ac1以上溫度時 珠光體中的片狀碳化物開始溶解 而又未完全溶解 出于溫度低 擴散過程進行得緩慢 此時 一片碳化物逐漸斷開 呈許多細小的鏈狀或點狀 彌散分 布在奧氏體基體上 未完全溶解的碳化物導致奧氏體的成分極不均勻 在隨后緩冷過 程中 或以原有的碳化物質(zhì)點為核心 或在奧氏體中碳原子富集的地方產(chǎn)生核心 均 勻地形成顆粒狀碳化物 剛形成的碳化物顆粒很小 在保溫或緩冷過程中發(fā)生聚集 長大成較大的顆粒 由此可見 球化過程需要碳原子作較長距離的擴散遷移 最終形 成球化組織 6 試樣的等溫退火工藝 等溫球化退火工藝是將共析鋼或過共折鋼加熱到 Ac1 20 30 保溫適當時間 然后冷卻到則低于 Ar1 以下的溫度 等溫保持一定時間 使等溫轉(zhuǎn)變進行完畢 然后 爐冷或空冷的球化退火工藝 如果原始組織個網(wǎng)狀碳化物較嚴重 則需加熱到略高于 Acm的溫度 使網(wǎng)狀碳化物溶人奧氏體 然后再較鉸地冷卻到 Arl以下溫度進行等溫球 化退火 在等溫球化退火工藝的制訂中 奧氏體化溫度及等溫轉(zhuǎn)變溫度十分重要 奧氏體 化溫度較高 未溶碳化物數(shù)量較少 奧氏體晶粒較大 而且其中碳濃度的分布也較均 勻 因而和利于球化過程的進行 等溫轉(zhuǎn)變溫度較低別 碳 及合金元素 在奧氏體中 擴散較困難 也不利于球化過程的進行 只有當奧氏體化溫度較低 等溫轉(zhuǎn)變溫度較 高的處理規(guī)程下 才能得到球化組織 9 11 2 42 4 加熱溫度的經(jīng)驗公式加熱溫度的經(jīng)驗公式 熱處理工藝加熱溫度 保熱時間 h等溫溫度 等溫時間 h 等溫球化退火 普通球化退火 Ac1 20 40 Ac1 20 40 2 3 2 3 Ac1以下 10 無 4 6 無 查熱處理手冊可知 T10A 鋼屬于共析鋼 其臨界點 Ac3為 730 Ar1則為 700 其加熱溫度可選擇在 740 780 根據(jù)球化退火的加熱溫度范圍 以 760 為中心在 該溫度上下分別選擇等溫退火溫度 分別為 740 760 和 780 等溫溫度為 690 試樣普通球化退火工藝曲線如圖 2 7 所示 圖 2 7 試樣等溫球化退火工藝曲線 7 試樣的普通球化退火工藝 普通球化退火是將鋼加熱到 Ac1以上 20 30 保溫適當時間 然后隨爐緩慢冷 卻 冷到 500 左右出爐空冷 試樣普通球化退火工藝曲線如圖 2 8 所示 12 圖 2 8 試樣普通球化退火工藝曲線 2 3 3 試樣硬度值的測試 金屬硬度檢測是評價金屬力學性能最迅速 最經(jīng)濟 最簡單的一種試驗方法 硬 度檢測的主要目的就是測定材料的適用性 或材料為使用目的所進行的特殊硬化或軟 化處理的效果 硬度是評定金屬材料力學性能最常用的指標之一 硬度的實質(zhì)是材料 抵抗另 一硬材料壓入的能力 對于被檢測材料而言 硬度是代表著在一定壓頭和試驗 力作用下所反映出的彈性 塑性 強度 韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能 由于通過硬度試驗可以反映金屬材料在不同的化學成分 組織結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件 下性能的差異 因此硬度試驗廣泛應用于金屬性能的檢驗 監(jiān)督熱處理工藝質(zhì)量和新 材料的研制 金屬硬度檢測主要有兩類試驗方法 一類是靜態(tài)試驗方法 這類方法試 驗力的施加是緩慢而無沖擊的 硬度的測定主要決定于壓痕的深度 壓痕投影面積或 壓痕凹印面積的大小 靜態(tài)試驗方法包括布氏 洛氏 維氏 努氏 韋氏 巴氏等 其中布 洛 維三種試驗方法是應用最廣的 它們是金屬硬度檢測的主要試驗方法 這里的洛氏硬度試驗又是應用最多的 它被廣泛用于產(chǎn)品的檢驗 據(jù)統(tǒng)計 目前應用 中的硬度計70 是洛氏硬度計 另一類試驗方法是動態(tài)試驗法 這類方法試驗力的施 加是動態(tài)的和沖擊性的 這里包括肖氏和里氏硬度試驗法 動態(tài)試驗法主要用于大型 的 不可移動工件的硬度檢測 等溫球化退火理后的試樣和普通球化退火處理后的試樣 將進行硬度測試 分析 試樣經(jīng)不同熱處理后的硬度值的大小 從而比較其性能 測定硬度的方法很多 常用 的有布氏硬度 洛氏硬度和維氏硬度試驗方法 本實驗采用洛氏硬度的測試法 洛氏 硬度試驗是以錐角為 120 的金剛石圓錐體或者直徑為 1 588mm 的淬火鋼球為壓頭 在規(guī)定的初載荷和主載荷作用下壓入被測金屬的表面 然后卸載主載荷 從而測得試 件硬度的實驗 為了能用同一硬度計測定從極軟到極硬材料的硬度 可以通過采用不 同的壓頭和載荷 組成 15 種不同的洛氏硬度標尺 其中最常用的由 HRA HRB HRC 三種 其試驗規(guī)范如表 2 5 所示 表表 2 52 5 三種常用洛氏硬度的試驗規(guī)范三種常用洛氏硬度的試驗規(guī)范 符號壓頭類型載荷 N硬度有效范圍使用范圍 HRA120 金剛石圓錐體60070 85適用于測量硬質(zhì)合金 表面淬火層或滲碳層 HRB直徑為 1 588mm 的淬火鋼球100025 100適用于測量有色金屬 退火鋼 正火鋼等 HRC120 金剛石圓錐體1500N20 67適用于測量調(diào)質(zhì)鋼 淬火鋼等 2 3 4 試樣的磨制 13 金相試樣的磨制一般分為粗磨和細磨兩類 粗磨的目的是為了獲得平整的金相磨 面 一般粗磨都選擇在預磨機上進行 本實驗將球化退火后的試樣在預磨機上磨制 直至試樣表面氧化物去除干凈 以得到平整的金相磨面 為下一步研磨做準備 將粗磨后的試樣用清水沖洗并擦干后再進行細磨 本實驗采用手工細磨 即將試 樣依次在由粗到細的各號金相砂紙上進行細磨 采用的金相砂紙?zhí)枖?shù)有 01 02 03 04 05 五種 表 2 6 細磨時為了保證觀察面的平整 需在金相砂紙下 放一塊厚玻璃板 磨制時將金相砂紙平鋪在厚玻璃板上 用左手按住砂紙 右手握住 試樣 使金相磨面朝下并與金相砂紙相接觸 在輕微壓力的作用下向前推磨 用力力 求均勻 平穩(wěn) 防止磨痕過深和造成金相磨面變形 試樣退回時要抬起 不能與金相 砂紙相接觸 用 單程 單向 的磨制方法 直至磨掉試樣磨面上的舊痕跡 形成的 一層新的 均勻一致磨痕為止 在調(diào)換下一號砂紙時 應將試樣上的磨屑和砂粒清理 干凈 并轉(zhuǎn)動 90 角 即與上一號砂紙磨擦的磨痕垂直 直到將上一號砂紙留下來的磨 痕全部消除為止 這樣 依次經(jīng)過五種砂紙的磨制后 形成磨面平整光滑 猶如鏡面時 則細磨結(jié) 束 表表2 62 6 干砂紙編號和粒度尺寸干砂紙編號和粒度尺寸 編號 按粒度標號特定標號 磨料尺寸 微米 W40040 28 W280128 10 W200210 14 W140314 10 W100410 7 W7057 5 W5065 3 5 2 3 5 試樣的拋光 金相試樣經(jīng)細磨后 磨面上仍然存在細微的磨痕及金屬擾亂層 影響正常的組織 分析 因而必須進行拋光處理 以得到平整 光亮 無痕的金相磨面 本實驗采用的 是機械拋光法 本實驗采用的拋光機型號為 P 2 拋光時應在拋光盤上鋪以細帆布 平 絨 絲綢等拋光織物 并不斷滴注拋光液 在本次實驗采用拋光液為氧化鉻的細粉末 狀磨料在水中形成的懸浮液 操作時將試樣磨面均勻地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上 并且沿 著拋光盤的邊緣到中心不斷地作徑向往復運動 同時使試樣本身略加轉(zhuǎn)動 使磨面各 部分拋光程度 致 并且可以避免出現(xiàn) 曳尾 現(xiàn)象 拋光液的滴入量以試樣離開拋光 14 盤后 其表面的水膜在數(shù)秒鐘內(nèi)可自行揮發(fā)為宜 般拋光時間為 3 5min 待試樣磨 面光亮無痕 其中石墨或夾雜物保留 且沒有 曳尾 現(xiàn)象時 則拋光結(jié)束 根據(jù)上表可知 T10A 鋼退火處理和正火處理均可采用 HRB 的硬度標尺 故采用 HRS 150 型數(shù)顯洛氏硬度計測試 洛氏硬度是一種壓入硬度試驗 以測的深度大小表 示材料的硬度值 由于壓痕較小 測得的數(shù)據(jù)不夠準確 通常在試樣不同部位測定三 點取其算術平均值 2 3 6 試樣的浸蝕 拋光后的試樣磨面是一光滑的鏡面 在金相顯微鏡下只能看到非金屬夾雜物 石 墨 孔洞 裂紋等 要觀察金屬的組織特征 還必須經(jīng)過適當?shù)慕g 使金屬組織正 確地顯示出來 本實驗采用的是化學浸蝕法 化學浸蝕法是將拋光好的試樣磨面在化 學浸蝕劑 常用酸 堿 鹽的酒精或水溶液 中浸蝕或擦拭一定的時間 借助于化學 或電化學作用顯示金屬組織的方法 T10A 鋼采用的浸蝕劑是 4 的硝酸酒精溶液 浸 蝕時 將試樣磨面浸入盛有浸蝕劑的容器內(nèi) 浸蝕適當時間后 本實驗腐蝕時間大約 為 1s 等磨面發(fā)暗時停止浸蝕 然后迅速用清水沖洗干凈 用無水酒精擦洗 最后用 吹風機吹干 2 3 7 顯微組織的觀察 在完成試樣的浸蝕后 就可以在金相顯微鏡下觀察試樣的金相組織 本實驗采用 的是 4XB 型金相顯微鏡 將浸蝕后的試樣在金相顯微鏡下進行其組織的形態(tài) 特征及 組成進行分析 15 16 第第3 3章章 試驗結(jié)果及分析試驗結(jié)果及分析 3 1 實驗結(jié)果 3 1 1 力學性能試驗 試樣在熱處理后進行了硬度測試 試樣等溫球化退火后 測量其硬度值如下表 3 1 表所示 普通球化后試樣的硬度值如下表 3 2 所示 表表 3 13 1 等溫球化退火后試樣的硬度值 等溫球化退火后試樣的硬度值 HRB 試樣等溫球化 退火工藝 加熱溫度 740 等溫溫度 690 隨 爐冷至 520 后空冷 加熱溫度 760 等溫溫度 690 隨 爐冷至 520 后空冷 加熱溫度 780 等溫溫度 690 隨 爐冷至 520 后空冷 硬度值49 049 550 053 253 654 255 556 456 0 平均值49 553 756 0 表表 3 2 普通球化退火后試樣的硬度值普通球化退火后試樣的硬度值 HRB 試樣普通球化退 火工藝 加熱溫度 740 隨 爐冷至 520 后空冷 加熱溫度 760 隨 爐冷至 520 后空冷 加熱溫度 780 隨 爐冷至 520 后空冷 硬度值 HRB56 957 856 060 561 058 763 364 263 7 平均值 HRB56 960 063 7 從表 3 1 和表 3 2 中的試樣的洛氏硬度值可以看出 T10A 鋼試樣等溫球化退火 后的硬度低于同樣加熱溫度的普通球化退火 這是因為等溫球化退火在等溫的時間里 碳化物核心能充分長成球化物 經(jīng)等溫球化退火和普通球化退火的 T10A 鋼試樣硬 度都隨加熱溫度的升高而升高 這是因為加熱溫度較低時 奧氏體中殘留有未溶碳化 物 且奧氏體的碳濃度很不均勻 緩冷時在高碳區(qū)可非自發(fā)形成碳化物核長大成球狀 碳化物 或未溶碳化物直接長大形成球狀珠光體 相反如果奧氏體化溫度較高碳化物 溶解完全 奧氏體成分均勻 冷卻時章程片狀珠光體 3 1 23 1 2 金像組織試驗 1 試樣等溫球化退火的組織分析 為了更好的了解 T10A 鋼熱處理后的組織 在進行熱處理之后 T10A 鋼的組織進行 了金相顯微組織的分析 拍了顯微組織圖 如圖 3 1 所示 其中圖 3 1 a 是 T10A 鋼 在 740 等溫退火后放大 600 倍的顯微組織圖 從圖上可以看到黑色部分和白色部分大 17 體分布均勻 白色部分占的比例大于黑色部分所占比例 其中白色部分為鐵素體 黑 色部分為珠光體 圖 3 1 b 為 T10A 鋼在 760 等溫退火后放大 125 倍的顯微組織圖 圖 3 1 c 為 T10A 鋼在 780 等溫退火后放大 600 倍的顯微組織圖 a T10A加熱溫度740 600 b T10A加熱溫度760 600 b T10A 加熱溫度 780 600 圖 3 1 T10A 鋼等溫球化退火后的組織 T10A 鋼等溫球化退火后的室溫組織由鐵素體和珠光體組成 且隨著加熱溫度低的 式樣球化率高 780 比 740 加熱溫度下的珠光體更粗大 2 試樣普通球化退火的組織分析 圖3 2所示為T10A鋼在740 760 780 分別進行普通球化退火后的顯微組織圖 從圖中可以看出 圖3 2 a 為T10A在740 溫度下普通球化退火后的組織 圖 3 2 b 為T10A在760 溫度下普通球化退火后的組織 圖3 2 c 為T10A在780 溫度下 普通球化退火后的組織 a T10A鋼加熱溫度740 600X b T10A鋼加熱溫度760 600X 18 c T10A鋼加熱溫度760 600X 圖3 2 T10A鋼普通球化退火后的組織 T10A鋼普通球化退火后的室溫組織由鐵素體和滲碳體組成 在鐵素體基體上均勻 分布著球狀碳化物的球狀珠光體 但得到的珠光體部分或全部呈片狀 球化率不高 隨著將熱溫度的升高珠光體的形狀也更加粗大 3 相同加熱溫度下試樣球化退火的組織分析 為了更好的了解不同球化退火工藝對T10A組織性能的影響本實驗將相同溫度下進 行的等溫球化退火和普通球化退火所得到的組織進行分析比較 在圖3 3中 圖 3 3 a 為T10A鋼等溫球化退火后的組織 圖3 3 b 為T10A鋼等溫球化退火后的組 織 加熱溫度為740 a T10A鋼等溫球化退火組織 600 b T10A鋼普通球化退火組織 600 圖 3 3 T10A 鋼 740 球化退火后的組織 在圖 3 4 中 圖 3 4 a 為 T10A 鋼等溫球化退火后的組織 圖 3 4 b 為 T10A 鋼等溫球化退火后的組織 加熱溫度為 760 19 a T10A鋼等溫球化退火組織 600 b T10A鋼普通球化退火組織 600 圖 3 4 T10A 鋼 760 球化退火后的組織 在圖 3 4 中 圖 3 5 a 為 T10A 鋼等溫球化退火后的組織 圖 3 5 b 為 T10A 鋼等溫球化退火后的組織 加熱溫度為 780 a T10A鋼等溫球化退火組織 600 b T10A鋼普通球化退火組織 600 圖 3 5 T10A 鋼 780 球化退火后的組織 等溫球化退火與普通球化退火后的組織相比 T10A 鋼等溫球化退火后的室溫組 織由鐵素體和珠光體組成 是在鐵素體基體上均勻分布著球狀碳化物的球狀珠光體 球化率高 T10A 鋼普通球化退火后的室溫組織由鐵素體和珠光體體組成 但得到的珠 光體部分或全部呈片狀 球化率不高晶粒組織 3 4 等溫球化退火和普通球化退火的綜合分析及其實際應用 對 T10A 鋼而言 等溫球化退火和普通球化退火相比 二者的加熱溫度相同 但 等溫球化退火經(jīng)過保溫階段使細小碳化物趨于彌散 這樣使得球化效果更好 因此 T10A 鋼等溫球化退火后組織中得珠光體呈球狀 珠光體數(shù)量較多 且珠光體片間距較 小 由于等溫球化后的組織較細 所以比完全退火狀態(tài)具有較好的綜合力學性能 正 火后鋼的硬度略高于退火 因而其切削加工性能更好 一般地說鋼的硬度在 180 220HBS 范圍內(nèi)時 切削加工性能最好 20 球化退化是碳素工熱處理 是保證均勻淬火和防止淬裂以及淬 回火后 碳化物 分布均勻一致所不可缺少的 此外 球化退火有時也用于常溫下進行塑性加工的碳素 結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 球化退火在模具制造中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面 顯著 提高鋼的切削加工性由于切削加工費約占工模具制造費用的 80 故此項費用的節(jié)約 不應忽視 球化退火后的工具鋼 碳化物細致均勻分布 使淬火后的韌度明顯提高 可有效防止淬火變形及開裂 因為最劇烈的畸變都是發(fā)生在碳化物有變化的情況下 并可提高耐磨性 球化退火使奧氏體晶粒不易粗化 允許有較寬的淬火溫度范圍 如 Cr12 型鋼淬火溫度范圍較窄 經(jīng)球化退火后可得到一定改善 1 模具鋼的球化退火缺陷 具鋼 合金工具鋼 高速工具鋼和滾動軸承鋼等淬火前必須進行的預備 模具鋼球化退火常出現(xiàn)球化不完全的組織缺陷 其主要原因是 球化溫度偏低 時間太短 片狀碳化物未完全溶解 致使球化組織中出現(xiàn)一定比例的細層狀珠光體 對已出現(xiàn)這種缺陷的鋼件 應嚴格按工藝重新球化 2 滾動軸承鋼的球化退火 滾動軸承鋼具有較高的含碳量和含 Cr 量 其退火后具有與工具鋼相同的金相組織 珠光體 碳化物 并常用于取代冷作模具鋼 因此具有與工具鋼相同的熱處理特性 正火對改善粗大網(wǎng)狀碳化物的作用 在模具鋼中 對于過共析成分的碳素工具鋼 如 T11 T13 和合金工具鋼 CrMn CrWMn CrW5 等鋼種 由于先共析碳化物往往沿奧 氏體晶界析出 呈網(wǎng)狀分布 降低了鋼的塑性和韌性 增大了脆性 同時給退火時珠 光體的球化以及淬火時加熱溫度的選擇都帶來了嚴重的影響 網(wǎng)狀碳化物是鋼件在鍛 軋 后的堆冷或空冷時較慢冷卻過程形成的 如果鍛造 或軋制 時在兩相區(qū) 800 900 之間停鍛 或軋 此時先共析碳化物雖然沿奧氏體晶界優(yōu)先析出 但形變 尚在繼續(xù)進行 仍可將析出的網(wǎng)狀碳化物破碎 這種辦法由于影響鍛錘 或軋機 的 生產(chǎn)率 通常形變的終止溫度在 1000 右 生產(chǎn)上很難采用這一辦法 另一辦法是鍛 或軋 后 將鋼件散置并快速冷卻 如在軋機的滾道上安置噴水圈或吹風快冷 若 采用熱處理辦法消除這種有害的網(wǎng)狀組織 便是先正火除網(wǎng)后球化 因為正火能夠使 晶粒細化并使網(wǎng)狀碳化物固溶破斷 從而有效地消除過共析鋼中的二次碳化物 含滲 碳體 粗大網(wǎng)絡 當加熱到高于 Acm 點 Fe C 平衡圖