機(jī)械加工中常用金屬材料的工藝性能與熱處理(正式版)資料.doc

1、機(jī)械加工中常用金屬材料的工藝性能與熱處理 武昌造船廠 陳德年一、 常見金屬材料的性能 金屬材料在機(jī)械制造和造船工業(yè)中占有相當(dāng)大的部分,在船舶中可達(dá)90%以上充分了解和掌握金屬材料的性能,充分發(fā)揮材料的潛力,合理使用金屬材料提高產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良的機(jī)械性能金屬材料具有性能 優(yōu)良的工藝性能優(yōu)良的物理性能 這些性能的優(yōu)劣取決于金屬材料的成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)而利用熱處理改善金屬材料的組織結(jié)構(gòu)滿足一定的性能要求值此科學(xué)地處理好金屬材料的性能,內(nèi)部結(jié)構(gòu)與熱處理相關(guān)聯(lián)的問題就具有極大的意義1、 金屬材料的機(jī)械性能 機(jī)械性能:是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)的抵抗能力它包括:強(qiáng)度硬度塑性韌性疲勞強(qiáng)度等 金屬材料所制零件在

2、加工和使用過程中根據(jù)載荷性質(zhì)的不同有靜載荷,沖擊載荷交變載荷而根據(jù)載荷對(duì)金屬材料的作用方式不同,又可分為拉伸壓縮剪切扭轉(zhuǎn)和彎曲等 在工程設(shè)計(jì)上材料的機(jī)械性能數(shù)據(jù)一般是以該材料制成的試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)測(cè)得的,以表明材料的性能高低材料的強(qiáng)度與塑性一般都是通過靜拉伸試驗(yàn)測(cè)得 拉伸試樣 拉伸后試樣L0=10d0 L0=5d0 d0=10mm D=20mm h=15mm拉伸曲線圖緩緩地在試樣兩端施加拉力,隨著軸向拉力的增加試樣不斷地彈性伸長(zhǎng)過渡到塑性伸長(zhǎng)直到斷裂這樣得到如圖所示的外力變形量曲線,使之反映材料的性能(強(qiáng)度與型性),將載荷值除以試樣的載面積,即采用強(qiáng)度:金屬材料對(duì)外力作用所引起的變形或斷裂

3、的抵抗能力比例極限:oa段是直線應(yīng)力與應(yīng)變成正比例,相對(duì)于a點(diǎn)的應(yīng)力為比例極限,在這范圍內(nèi),材料處于彈性變形階段彈性極限:ab段還屬于彈性變形階段,變形的速度加快,應(yīng)變與應(yīng)力不再成正比例,上二者數(shù)值極為接近,實(shí)踐中不將二者加以嚴(yán)格區(qū)分屈服極限(屈服強(qiáng)度):過了b點(diǎn)后材料進(jìn)入塑性變形階段,到了C點(diǎn)曲線上出現(xiàn)了近于水平的線段,此時(shí)應(yīng)力幾乎沒有變化或變化很小但變形卻顯著增加,好象材料屈服于載荷而自行伸長(zhǎng),這一現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的應(yīng)力稱作屈服極限,以表示如果沒有明顯的屈服現(xiàn)象當(dāng)試樣的殘余變形量相當(dāng)于試樣原長(zhǎng)的0.2%時(shí)的應(yīng)力稱作屈服極限并以表示抗拉強(qiáng)度(強(qiáng)度極限):當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)外力繼續(xù)增

4、加試樣就不斷增長(zhǎng),一直到試樣產(chǎn)生明顯的局部變形(即縮頸)時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值,此時(shí)以后,試樣截面積急劇縮小,直到試樣斷裂,所以抗拉強(qiáng)度是指試樣承受拉力載荷時(shí),在斷裂前的最大應(yīng)力用表示 屈強(qiáng)比= 其比值越大,表示材料使用性能好塑性:金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形(即塑性變形)的性能叫塑性金屬材料的塑性大小用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來表示伸長(zhǎng)率:試樣斷裂后的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與原來長(zhǎng)度之比叫做伸長(zhǎng)率,用表示: L0試樣拉抻前的長(zhǎng)度 L0=10d0時(shí)用或10 L0=5d0時(shí),用5表示L試樣受拉抻斷裂后的長(zhǎng)度(mm)值的大小可以評(píng)定材料塑性,脆性的依據(jù),當(dāng)>5%時(shí)為塑性材料,值<5%時(shí)為脆性材料斷面收縮率:

5、試樣斷裂后的斷口面積收縮量與原來截面積之比稱斷面收縮率(簡(jiǎn)稱面縮率)通常用表示F0試樣原來截面積mm2 FK試樣斷裂后的截面積mm2和值越大,材料的塑性越好硬度: 金屬抵抗其他更硬物體壓入其表面的能力稱為硬度 根據(jù)試驗(yàn)方法的不同,所得的硬度值也不一樣,常用的有布氏硬度洛氏硬度和維氏硬度等布氏硬度(HB):從一定直徑D的淬硬鋼球(D為10mm5mm或2.5mm)在規(guī)定載荷(3000750187.5kg力)作用下壓于試件表面,保持一定時(shí)間,去除載荷后,必然在試件表面形成一凹痕,即以載荷P與壓痕表面積F的比值表示其硬度值,以HB表示 D鋼球直徑(mm) d壓痕直徑(mm) 生產(chǎn)中測(cè)量出壓痕直徑后直接

6、查表得出HB值金屬材料越軟,其壓痕面積越大,布氏硬度值越低反之則布氏硬度值越高當(dāng)材料較硬時(shí)(HB>450)就不用布氏硬度測(cè)量由于壓痕成幾毫米的凹面對(duì)最終的成品表面有影響,不適于測(cè)成品對(duì)于大件的硬度測(cè)量無法用臺(tái)式硬度計(jì)現(xiàn)用錘擊式或里氏硬度計(jì)HB值與靜拉伸所得之強(qiáng)度極限b之間有著正比關(guān)系(經(jīng)驗(yàn)公式)軋鋼鍛鋼件:b(3.43.6)HB 鑄鋼件:b(34)HB值,灰口鑄鐵:洛氏硬度:是用頂角為1200金剛石圓錐作為壓印頭,壓入試件表面,以壓痕深度來判斷材料的硬度材料越軟,壓痕h越深為了測(cè)量從軟到硬材料的硬度采用了不同壓頭和載荷的組合,生產(chǎn)上最常用的是AB和C標(biāo)RHRA:壓頭為金剛石圓錐體,總載荷

7、60kg力測(cè)量較薄硬化層HRB:壓頭為1/16直徑的淬硬鋼球,總載荷為100kg力,測(cè)量較軟的材料的硬度HRC:壓頭為金剛石圓錐體,總載荷為150kg力,多于用淬火工件的高硬度的測(cè)量洛氏硬度測(cè)量迅速簡(jiǎn)便,可直接讀數(shù),壓痕小精確度高可測(cè)量成品維氏硬度: 測(cè)定方法基本上是采用了布氏硬度試驗(yàn)法的原理,但所加載荷較小(510203050100公斤等6級(jí),壓頭是用相對(duì)兩面夾角為136°金剛石四棱錐作為壓頭在載荷P的作用下,在被測(cè)金屬表面上壓出一對(duì)角線長(zhǎng)度為d的方形壓痕在生產(chǎn)中根據(jù)測(cè)得壓痕兩對(duì)角線的平均值d,可以從有關(guān)表格查出維氏硬度值,d值越大,材料硬度越低適用于測(cè)量很薄的材料和表層硬度較薄的

8、硬度層如滲鉻層滲氮層維氏硬度洛氏硬度沖擊韌性:金屬材料抵抗沖擊載荷的能力,叫沖擊韌性沖擊韌性的測(cè)量通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)時(shí)利用擺錘落下?lián)魯嘀醒胗腥笨诘臉?biāo)準(zhǔn)試樣,測(cè)量此時(shí)所消耗的功,即沖擊功AkAk的大小就代表了材料的韌性高低所以定義為試樣沖斷時(shí)所消耗的功稱沖擊韌性而將沖擊功與試樣缺口處斷面積F0的比值稱作材料的沖擊值,(也叫沖擊韌性)以aK表示,單位焦耳(J)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)去除aK值生產(chǎn)中常用以鑒定材質(zhì)和控制工藝質(zhì)量沖擊試樣在煉冶時(shí)控制鋼中磷的含量,磷(P)含量增高,脆性增大特別是冷脆性金屬材料的韌性是隨著溫度而改變的,特別是在低溫下,ak值會(huì)顯著下降而使材料呈脆性斷裂冷脆性現(xiàn)象 例如

9、:Q345鋼:分為:Q345ABCDE其含磷量分別為0.045%,B為0.040%,C為0.035%,D為0.030%,E為0.025%,其溫度(沖擊試驗(yàn))AB常溫20,C為0,D為-20,E為-40Akv34J,Q345E為27J疲勞強(qiáng)度:金屬材料對(duì)交變載荷的抗力在交變載荷作用下,其最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料在靜載荷下的極限強(qiáng)度但經(jīng)過很多次重復(fù)作用后仍會(huì)造成零件的破斷例45#鋼,經(jīng)淬火550回火后靜拉伸時(shí)=900mPa,但在交變彎曲載荷下應(yīng)力為460mPa經(jīng)過250000次反復(fù)后發(fā)生斷裂一般鋼鐵材料定為循環(huán)數(shù)達(dá)到107次而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞極限,這個(gè)次數(shù)為基數(shù)有色金屬,高強(qiáng)度鋼基數(shù)為5

10、15;107或者108次而不斷裂的最大應(yīng)力為疲勞極限2金屬材料的尺寸效應(yīng)鋼材的截面大小不同時(shí),其機(jī)械性能也會(huì)產(chǎn)生差異即使給予相同的熱處理,其機(jī)械性能也會(huì)產(chǎn)生差異,有時(shí)甚至是很大的差異這種現(xiàn)象叫做鋼材的尺寸效應(yīng)如Q345D低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,隨著板厚而變化板 厚(mm)16>16-35>35-50 470-630Mpa屈服強(qiáng)度(Mpa)345325295ZG42CrMo熱處理工藝原則相同,都用淬火+高溫回火(調(diào)質(zhì))截面尺寸mm Mpa Mpa % AKJ HB30 540 74088012 27 22026030100 490 690830 11 21 200250100150 45

11、0 690830 10 16 200250150250 400 650800 10 12 195240250400 350 650800 8 9 195240鋼材的尺寸效應(yīng)主要由材料的淬透性而定,對(duì)淬透性好的材料淬火時(shí)能使其整個(gè)截面全部形成馬氏體而淬透,就可沿整個(gè)截面獲得均勻一致的性能相同的材料熱處理工藝不同,得不同的組織獲得不同的性能以45號(hào)鋼為例:(Mpa) Mpa % % ak740760 退火 珠光體 560690 400480 1822 6068 58850正火 640回火 細(xì)珠光體 700760 420480 1822 5864 69840淬火 650回火 索氏體 780850 6

12、00700 1516 6367 1416 以球墨鑄鐵為例QT400-17 石墨呈球狀+鐵素體 400Mpa =17QT500-5 石墨呈球狀+珠光體 500Mpa =5 綜上所敘,在設(shè)計(jì)零件并選材時(shí),應(yīng)根據(jù)零件的工作條件,損壞形式找出該零件所選材料的主要機(jī)械性能指標(biāo),通過熱處理達(dá)到零件的技術(shù)要求,保證零件經(jīng)久耐用,也可以歸結(jié)為金屬材料是討論材料成分內(nèi)部組織構(gòu)造,性能三者之間的關(guān)系 零件服役形式 機(jī)械性能要求(Ak HB) 組織結(jié)構(gòu)(珠光體索氏體屈氏體奧氏體鐵素體萊氏體等) 選擇金屬材料 熱處理例如:齒輪:材料45號(hào)鋼經(jīng)正火本體細(xì)珠光體或索氏體,硬度為HB200左右,便于加工插齒,齒面表面淬火+

13、回火后得回火馬氏體組織,齒面硬度HRC45-50彈簧:材料60Si2Mn 熱處理后組織為下貝氏體HRC48-52 軸承:材料GCr15 熱處理后組織為回火馬氏體,HRC58-63鉸刀:材料W18Cr4V 熱處理后組織為回火馬氏體,HRC63以上手工銼刀:T12高碳工具鋼熱處理后組織為回火馬氏體,HRC62以上車床床身:材料HT20035CrMo鋼熱處理工藝不同得到的組織性能不一樣MPaMpaa kHB組織退火86066035322.55519179珠光體淬 火880淬 火87776922.56619.3267索氏體650回 火二金屬材料的工藝性能金屬材料制造零件的基本加工方法通常有:鑄造壓力加

14、工焊接機(jī)械加工熱處理則是為了改善機(jī)械加工和零件得到所要求的性能而安排在有關(guān)工序之間的 幾種主要的工藝性能如下:鑄造性:包括流動(dòng)性(液體金屬易填滿型腔得到要求的形狀鑄件)收縮性要小凝固時(shí)如果收縮大,則應(yīng)力大以至形成裂紋縮孔傾向就大,偏析小和吸氣性極小等,避免形成氣孔,疏松等鍛造性:包括可鍛性(塑性與變形抗力的綜合)冷鐓性要求熱塑性好,受壓力加工性好,不產(chǎn)生破裂,壓力加工所需外力小鍛后冷卻抗氧化性等焊接性:在焊接接頭處,形成冷裂或熱裂的傾向要小,形成氣孔夾渣的傾向小等切削加工性:即材料切削加工的難易程度,根據(jù)一定條件下刀具所能達(dá)到的切削速度,易進(jìn)行切削加工,則切削時(shí)消耗動(dòng)力少,切削加工性好,被加工

15、件表面光潔度好,對(duì)刀具的使用壽命長(zhǎng),不易磨損刀具熱處理工藝性:包括淬硬性淬透性變形開裂傾向,過熱敏感性回火脆性氧化脫碳傾向冷脆性 機(jī)械制造中鋼制零件一般都是經(jīng)過鍛造或鑄造,切削加工和熱處理等幾種加工方法,因此在選材時(shí)對(duì)材料的工藝性加以注意,在小批量的生產(chǎn)條件下,工藝性能的好壞并不顯得突出,對(duì)某些重要產(chǎn)品件如火箭衛(wèi)星軍艦中的零件,首先考慮的是材料的使用性能,可靠性工藝加工性能處在從屬地位,對(duì)于成批大量生產(chǎn)的條件下,工藝性能的好壞成為決定的因素例如:某廠原試制零件用24SiMnWV鋼,雖然機(jī)械性能較18CrMnTi優(yōu),但因正火后硬度較高,切削加工性較差,不能適應(yīng)大量生產(chǎn)的要求而未被采用,而采用18

16、CrMnTi如普通螺釘螺母的需要量大,而機(jī)械性能的要求不太高,為了提高螺釘螺母的生產(chǎn)率就一定要選用切削加工性優(yōu)良的鋼材所以常用易切削鋼制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體,其機(jī)械性能不高,幾乎大多數(shù)一般的材料都能滿足,但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制定方法的選擇成了保證質(zhì)量的主要問題,因此通常用鑄造的方法制造箱體,工藝簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)在設(shè)計(jì)零件時(shí)也要考慮熱處理的工藝性,如某結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的應(yīng)選用淬透性較好的鋼其要求淬火冷卻速度較慢的油淬火的鋼,它的變形較小 一般情況下,碳鋼的鍛造切削加工性等工藝性能較好,其機(jī)械性能可滿足一般零件工作條件的要求,因此碳鋼的用途較廣但它的強(qiáng)度還不夠高,淬透性較差所以制造大截面,形狀復(fù)雜和高強(qiáng)度的淬火零

17、件常用合金鋼因?yàn)楹辖痄摯阃感院?強(qiáng)度高所謂合金鋼,就是在碳鋼的基礎(chǔ)上為了達(dá)到某些特定的性能要求,在冶煉時(shí)有意加入一些元素的鋼稱為合金鋼,如20鋼為碳鋼,20CrNiMo是合金結(jié)構(gòu)鋼,其機(jī)械性能比20鋼高的多,20Cr13為不銹鋼 金屬材料的加工硬化現(xiàn)象 加工硬化:隨著變形度的增加,強(qiáng)度硬度提高而塑性,韌性下降,這種現(xiàn)象稱為加工硬化 加工硬化現(xiàn)象對(duì)金屬材料使用有非常重要的實(shí)際意義,提高零件的強(qiáng)度硬度,對(duì)金屬材料的使用為有利的一方面如自行車的鏈板,材料16Mn原硬度HB=150,520N/mm2,經(jīng)過五次軋制其厚度由3.5mm壓縮到1.2mm加工變形度為65%,這時(shí)硬度提高到HB275強(qiáng)度提高到1

18、000N/mm2 加工硬化也是工件能夠成型的重要因素,例如:冷拉鋼絲拉過模孔的部分由于發(fā)生了加工硬化,便不能繼續(xù)變形而使變形轉(zhuǎn)移尚未拉過?？椎牟糠诌@樣鋼絲才可繼續(xù)通過模孔而成形鋼絲的強(qiáng)度達(dá)3000N/mm2,利用加工硬化提高零部件的強(qiáng)度硬度在ZGMn13上應(yīng)用很廣,如挖泥船挖斗坦克車履帶在強(qiáng)大的壓力擦磨下提高硬度 在機(jī)械切削加工中也會(huì)出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象對(duì)機(jī)械切削和冷變形加工常帶來不利的影響如加工耐熱耐氧化不銹鋼1Cr18Ni9TiCr25Ni12等在加工前的硬度極低僅有HB180左右,隨著加工的深入進(jìn)行硬度一直上升,可達(dá)到HB400以上,往往使加工量大的工序無法一次完成加工到位 有實(shí)例說明:ZG

19、42CrMo鋼制電站閘門軌道最終要求軌道工作表面硬度HB300360,熱處理達(dá)到該范圍的上限硬度以便精加工到位后的加工余量,加工5mm后應(yīng)從表面HB350降下約HB20左右使最終硬度達(dá)320330HB而結(jié)果在沒有冷卻液和高速的銑加工后表面硬度達(dá)HB370390超出最終要求硬度ZG0Cr13Ni5Mo門槽軌道,熱處理后硬度HB270300經(jīng)銑削加工后軌道面硬度為HB300340按淬硬層梯度其硬度應(yīng)下降HB20左右達(dá)到要求的硬度,反之加工中上升HB30左右,使產(chǎn)品硬度超過要求范圍不能順利交貨 加工硬化現(xiàn)象對(duì)沖壓件最明顯,經(jīng)兩三次沖壓,由于加工硬化,強(qiáng)度硬度增高,甚至到了無法繼續(xù)進(jìn)行沖壓加工的地步,

20、為了成型到位繼續(xù)加工,就要采取中間退火,消除應(yīng)力降低強(qiáng)度硬度便于繼續(xù)加工三材料在不同的組織性能情況下的機(jī)械加工效果 在機(jī)械制造中,絕大多數(shù)機(jī)械零件都是經(jīng)過切削加工而最終成形的,因此改善鋼的切削加工性對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率及降低成本具有重要意義 衡量切削加工性的好壞,經(jīng)常用材料被切削的難易程度,材料被切削后的表面光潔度以及刀具壽命等幾個(gè)方面來衡量一般情況材料的切削加工性能的好壞,與其化學(xué)成分,組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有關(guān) 低碳鋼:含C量在0.25%以下時(shí),其退火組織為鐵素體和珠光體,其鐵素體隨著含C量的增加而減少,珠光體量隨C%量增加而增加,含C量過低時(shí),在碳鋼中(退火鋼)有大量柔軟的鐵素體,硬度較低

21、,HB為130左右,鋼的延展性,塑性非常好,導(dǎo)致切屑易粘附著刀刃上而形成刀瘤,同時(shí)切屑是撕裂斷落,以致表面光潔度變差,刀具的壽命也受到影響因此含碳量過低的鋼,不宜在退火狀態(tài)下切削加工 隨著含碳量的增加,退火鋼中的珠光體量增多,鐵素體量減少,鋼的延展性降低,而強(qiáng)度硬度增加,從而使鋼的切削加工性有所改善所以生產(chǎn)上含碳量0.25%C的低碳鋼大多在熱軋或高溫正火狀態(tài)或冷拔塑性變形狀態(tài)進(jìn)行切削加工 對(duì)含碳在0.5%以下的中碳鋼都經(jīng)常用正火處理獲得較多的細(xì)片狀珠光體,使硬度適當(dāng)提高些,使加工獲得較好的表面光潔度 對(duì)于含碳量在0.5%以上中碳鋼,可采取一般退火或淬火加高溫回火的調(diào)質(zhì)處理,比正火處理適當(dāng)降低硬

22、度,使其容易被切削加工 對(duì)含碳超過0.6%的高碳鋼,特別是>0.77%C的鋼組織為珠光體和高硬度的滲碳體組成其硬度高難以加工,為了使硬度適當(dāng)降低之后再進(jìn)行切削加工,通過球化退火獲得球狀(粒狀)滲碳體(3-8級(jí)合格4極最佳)降低硬度改善切削加工性 實(shí)踐證明:在切削加工時(shí),為了不致發(fā)生“粘刀”現(xiàn)象,以適當(dāng)?shù)挠捕葴p少刀具的嚴(yán)重磨損,通過不同的金相組織,控制鋼的硬度范圍是必要的,為了使鋼具備良好的切削加工性,一般希望硬度控制在布氏硬度HB170-230為了進(jìn)一步提高表面光潔度可將硬度提高到HB300,而必須改進(jìn)刀具,不宜用普通刀具 機(jī)械加工操作種類很多,如車銑刨鉆鏜拉磨等,不同的組織不同的硬度對(duì)

23、不同的切削加工操作的切削加工性能是不同的具備球化組織的中碳鋼,其車削加工性較好,鉆削加工性屬中等,而拉插的加工較差 常用結(jié)構(gòu)鋼熱處理后的硬度組織與表面光潔度的關(guān)系如下表鋼號(hào)熱處理類別硬度HB組 織加工表面光潔度評(píng)價(jià)20Cr正火156-179鐵素體+珠光體車削拉插尚好20Cr調(diào)質(zhì)187-207回火索氏體+珠光體車削好拉插不良或尚好20CrMnTi正火160-207鐵素體+索氏體車削好拉插不良45正火170-230鐵素體+索氏體車削拉插尚好45調(diào)質(zhì)220-250回火索氏體+少量鐵素體<10%車削好拉插不良40Cr正火179-229索氏體+少量鐵素體<5%車?yán)寰己?0Cr調(diào)質(zhì)230-

24、250回火索氏體+少量鐵素體車削好拉插不良或尚好35SiMn正火187-229鐵素體+索氏體車?yán)寰己?例如:合金滲碳鋼20CrMnTi齒形零件,由于含碳量低即使采用正火快冷,插齒表面光潔度也難以達(dá)到高的要求,為此,對(duì)它進(jìn)行不完全淬火,得低碳馬氏體和鐵素體的混合物使硬度達(dá)HB=200-250插齒表面光潔度Ra可達(dá) 刀具壽命提高3-4倍 同樣高速鋼銑刀,退火以后其硬度為HB207-255,在此狀態(tài)下高速鋼銑刀精鏟加工難以達(dá)到齒形光潔度 的技術(shù)要求,后將粗鏟后的銑刀經(jīng)不完全淬火(880890)得到含碳量較低的馬氏體和鐵素體的混合物組織,使其硬度提高到了HRC3243之間,再進(jìn)行精鏟加工,這樣鏟削

25、性能就大大提高齒形光潔度可達(dá) 以上鏟削速度也顯著提高 對(duì)磨削加工件,希望具有良好的可磨削性能,以保證采用半自動(dòng)或自動(dòng)機(jī)床加工時(shí)高效率地成批生產(chǎn)減少磨削中產(chǎn)生“燒傷”或形成磨削裂紋,在磨削后易于獲得高的光潔度,鋼的磨削性的好壞同樣與鋼的成分,組織,熱處理以及材質(zhì)等有密切的關(guān)系 例如:9SiCr鋼可用作量具,因溶于鋼基體的Si增加鋼的硬度和強(qiáng)度降低鋼的可磨削性,所以9SiCr鋼量具在精磨后達(dá)不到象GCr15鋼那樣的足夠光潔的表面 CrMn鋼,CrSi鋼含碳量較高(11.3%C)淬火回火后最終能獲得高硬度(HRC63以上)和高耐磨性然而經(jīng)常由于碳化物分布不均勻性嚴(yán)重,而降低其機(jī)械性能和可磨削性在磨削

26、過程中碳化物偏聚處可能發(fā)生剝落鋼中網(wǎng)狀碳化物的存在,容易產(chǎn)生磨削裂紋并明顯降低表面光潔度 對(duì)于滲碳零件滲碳后,表面碳濃度過高,若形成了網(wǎng)狀碳化物,經(jīng)淬火后易形成較多的殘余奧氏體,在磨削加工時(shí),即使采用較小的磨削量也很難避免產(chǎn)生磨削裂紋 另外發(fā)現(xiàn)工件硬度與磨削裂紋的形成有密切關(guān)系,硬度在HRC55以下者,雖可有產(chǎn)生燒傷的可能但磨裂極少,硬度在HRC60以上,即使增加1-2HRC,也會(huì)使磨削裂紋敏感性大大增加 實(shí)踐證明:正確選定熱處理方法是可以有效地改善鋼的可磨削性能的,例如:嚴(yán)格控制滲碳時(shí)表面碳濃度,使它不超過1.1%C濃度以及消除網(wǎng)狀碳化物,在磨削工序之間(先磨削外圓后磨削齒部),增加消除應(yīng)力

27、回火,避免應(yīng)力疊加等措施,對(duì)改善鋼的可磨削性能均有明顯效果四如何利用熱處理的方法改善切削加工性能 由上節(jié)實(shí)例所知,在確定零件的材料化學(xué)成分后,通過熱處理方法獲得合適的組織,得到相應(yīng)的強(qiáng)度硬度從而改善材料的切削加工性能是一個(gè)重要的途徑 對(duì)于含碳量0.25%C的低碳鋼采用正火處理,細(xì)化晶粒,提高硬度降低組織中柔性的鐵素體對(duì)切削加工的不利影響 對(duì)于含碳為0.250.5%C的碳鋼件視零件的種類或截面的情況進(jìn)行正火,截面稍大的進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理 對(duì)于合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行正火+回火,或調(diào)質(zhì)處理,大截面合金鋼件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,得到回火索氏體組織(細(xì)粒狀珠光體)加少量的鐵素體鑄鍛件也經(jīng)常用退火,根據(jù)具體情況進(jìn)行熱處理 對(duì)含

28、碳量>0.6的高碳鋼零件及合金鋼零件,這些材料的零件都是要求高硬度,多數(shù)是在HRC60左右為改善切削加工性均為過程中的熱處理根據(jù)材料的組織結(jié)構(gòu)多數(shù)是用球化退火,使組織中高硬度的滲碳體呈為粒狀并使整體組織的硬度降低到便于切削加工的合適硬度HB200左右 對(duì)于材料中存在網(wǎng)狀滲碳體較嚴(yán)重的加工件,必須進(jìn)行消除網(wǎng)狀組織后,再進(jìn)行改善切削加工的熱處理工作 對(duì)于滲碳淬火件,為了避免磨削裂紋的產(chǎn)生在淬火前進(jìn)行正火,細(xì)化組織,均勻成分,消除網(wǎng)狀滲碳體,最終淬火得到均勻的馬氏體+滲碳體的組織,經(jīng)充分的回火后使工件避免磨削紋的產(chǎn)生 綜上所述,利用熱處理方法改善切削加工的性能基本上對(duì)低碳鋼用正火處理對(duì)中碳結(jié)構(gòu)

29、鋼和低中碳合金結(jié)構(gòu)鋼用正火或調(diào)質(zhì)處理高碳鋼和高碳合金鋼用球化退火或不完全退火處理對(duì)于材質(zhì)中有網(wǎng)狀碳化物者先用正火消網(wǎng)后退火從切削加工的適宜硬度應(yīng)控制在布氏硬度HB230-170的范圍,并非硬度越低越利于切削加工要具體情況具體分析,要滿足機(jī)械性能,改善工藝性能,考慮降低成本的經(jīng)濟(jì)性,從改變工藝規(guī)范,調(diào)整工藝參數(shù),改進(jìn)刀具,設(shè)備,變更熱處理方法等多種途徑五鋼的熱處理 鋼的熱處理是將鋼加熱到一定溫度,進(jìn)行保溫冷卻改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),達(dá)到預(yù)期要求的機(jī)械性能的工藝方法 退火正火普通熱處理 淬火 回火火焰加熱感應(yīng)加熱熱處理包括 表面淬火 表面熱處理 滲碳 化學(xué)熱處理 滲氮(氮化)碳氮共滲 進(jìn)行鋼的熱處理時(shí)

30、,更是離不開Fe-Fe3C相圖如退火正火淬火的加熱溫度都得參考Fe-Fe3C相圖加以選擇鐵碳合金狀態(tài)圖如下:鐵碳合金中的基本組織鐵素體(F),珠光體(P)滲碳體(Fe3C)奧氏體(A),苯氏體(Ld) 1退火:是將鋼加熱到一定溫度,保溫一定時(shí)間,然后緩慢地冷卻(隨爐冷到500以下)到室溫,這一熱處理工藝 作用:降低鋼的硬度,提高塑性能利于切削加工及冷變形加工細(xì)化晶粒,均勻鋼的組織及成分(鑄件鍛壓件)改善鋼的性能,為以后的熱處理作準(zhǔn)備消除鋼中的殘余應(yīng)力 退火可分?jǐn)U散退火完全退火不完全退火球化退火除應(yīng)力退火等 擴(kuò)散退火是改善化學(xué)成分不均勻的一種操作一般用于合金鋼鑄錠和大型鑄件 完全退火多用于中碳鋼

31、(亞共析鋼)的鑄鍛件,改善組織,細(xì)化晶粒,降低硬度,消除應(yīng)力 工藝為:退火加熱溫度到AC3以上30-50保溫一段時(shí)間隨爐緩慢地冷卻到500以下出爐空氣冷卻 例如:40CrNiMoA(840-880)5CrMnMo(780-800) 不完全退火在下臨界和上臨界溫度之間的退火多用于(共析鋼和過共析鋼)高碳工具鋼如T8 T10A等 球化退火:把鋼加熱到AC1以上20-30保溫2-4小時(shí)后冷卻到AC1以下20左右,等溫4-6小時(shí)然后隨爐冷或空冷球化退火主要用于高碳工具鋼,合金工具鋼軸承鋼等用于降低硬度改善切削加工性(如T10A鋼球化退火后的硬度可降至HB197)也為以后的淬火作組織準(zhǔn)備由于高碳鋼組織常

32、為粗層片狀的珠光體,與網(wǎng)狀的滲碳體珠光體本身硬度高,由于網(wǎng)狀滲碳體的存在更增加了鋼的硬度和脆性,這樣不僅切削加工帶來了困難,而且還會(huì)引起淬火時(shí)產(chǎn)生變形和裂紋所以球化退火降低硬度改善組織,使?jié)B碳體由片狀改變成粒狀 除應(yīng)力退火:(低溫退火)主要用于消除內(nèi)應(yīng)力,生產(chǎn)中的鑄造,焊接或切削加工等都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力由于內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)使零件變形,在承受載荷時(shí)引起早期破壞 工藝在AC1以下某一溫度(一般為500650)保溫一段時(shí)間后緩冷 2正火:將鋼件加熱到AC3或Acm以上3050保溫后從爐中取出在空氣中冷卻 正火與退火的區(qū)別為正火冷卻是空氣中冷卻較退火的冷卻速度快,得到的組織細(xì),強(qiáng)度塑性硬度都稍有提高對(duì)于低碳

33、鋼零件也可用最終熱處理也用于消除網(wǎng)狀滲碳體 3淬火:將鋼加熱到AC3或AC1以上3050保溫后以大于臨界冷卻速度冷卻,使奧氏體被過冷到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的工藝稱為淬火 馬氏體的特點(diǎn)是硬度極高而脆,以此來獲得鋼的高硬度和耐磨性它是為回火作組織準(zhǔn)備,馬氏體必須回火后才能應(yīng)用 淬硬性(可硬性):是指鋼在正常淬火條件下所得到馬氏體組織所能達(dá)到的最高硬度 各種材料的淬硬性是不一樣的,與其化學(xué)成分有關(guān),主要與含碳量有關(guān)例如:35鋼淬火硬度HRC4535CrMo鋼淬火后硬度HRC50T10鋼淬火硬度>HRC60 淬透性(可淬性):鋼經(jīng)過淬火后能獲得淬硬層深度的一種性質(zhì)(能力)淬硬層越深就表明鋼的淬透性越好如同樣大截面的同種材料,如果淬硬層深度達(dá)到心部的則表明該鋼全部淬透 淬透性對(duì)鋼的機(jī)械性能的影響很大,淬透性高的鋼其機(jī)械性能沿截面是均勻分布的,而淬透性低的鋼心部的機(jī)械性能低a、 b圖所示為淬透與未淬透的鋼件經(jīng)高溫回火后性能沿截面分布的情況表面 中心 表面表面 中心 表面上述可知,機(jī)械加工余量需考慮保證一定的淬硬層的深度,特別對(duì)淬透性差的淬硬層淺的而加工余量大而導(dǎo)致將淬硬層加工掉影響最終要求的性能因此對(duì)易變形,長(zhǎng)件需留加工余量大的應(yīng)選淬透性