合金元素和热处理制度对3cr2w8v钢组织和性能的影响

合金元素和热处理制度对3cr2w8v钢组织和性能的影响内容摘要：

以及从节约能源的角度考虑，最终选择 作为退火、回火的加热设备，具体参数见下表 ；选择 SX21013 作为淬火的加热设备，具体参数见下表。 表 参数 型号 炉膛尺寸 /mm 额定功率 /kw 额定温度 /℃ 第 12 页 共 37 页 200 120 80 1200 表 SX21013 参数 型号 炉膛尺寸 /mm 额定功率 /kw 额定温度 /℃ SX21013 250 150 100 6 1300 硬度测定设备及选择 所谓硬度，就是材料抵抗更硬物压入其表面的能力。 根据试验方法和适应范围的不同，硬度单位可分为布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度、显微维氏硬度等许多种，不同的单位有不同的测试方法，适用于不同特性的材料或场合。 在这里主要介绍几种有关金属硬度的测试方法。 (1)金属洛氏硬度 测试原理 将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分两个步骤压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下的 残余压痕深度 h，根据 h 值及常数 N 和 S 计算洛氏硬度。 术语及定义 洛氏硬度 =Nh/S 初始试验力 试验时预加载试验力。 主试验力 使测量样品产生残余压痕的加载。 总试验力 初始试验力加上主试验力。 测试程序 洛氏硬度应选择在较小的温度变化范围内进行，因为温度变化可能会对试验结果有影响。 所以试验一般规定在 1035℃ 的室温进行。 试样应平稳地放置在钢 性支承物上，并使压头轴线与试样表面垂直。 避免试样产生位移。 使压头与试样表面接触，在无冲击和振动的情况下施加试验力， 初试验力保持不应超过 3 秒。 将测在不小于 1 秒 且不大于 8 秒 的时间内，从初试验力增加到总试验力，并保持 4 秒 177。 2 秒 ，然 后卸除主试验力，保持初试验力，经过短暂稳定后，进行读数。 为了读数 准确，在试验过程中，硬度计应避免受到任何冲击和震动。 在多处取值时，两相邻压痕中心间距离至少应为压痕直径的 4 倍，但不得小于2mm。 任一压痕中心距试样边缘距离至少应为压痕直径的 倍， 但不得小于1mm。 第 13 页 共 37 页 (2)金属布氏硬度 测试原理 对一定直径的硬质合金球施加试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕的直 径。 布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。 压痕被看作是具有一定半径的球形，其半径是压头球直径的二分之一。 术语及定义 试验力 试验时所用的负载。 压痕平均直径 两相互垂直方向测量的压痕直径的算术平均值。 球直径 压头中硬质合金球的直径。 测试程序 一般试验在 1035℃ 的室温进行即可，如果有对温度要求严格的试验（视 材料对温度的敏感性），试验温度应为 23℃ 177。 5 ℃。 试验力的选择应保证压痕直径在 之间。 试验力－压头球直径的平方的比率 （ ）应根据材料和硬度值选择。 为了保证在尽可能大的有代表性的试样区域试验，应尽可能选取大直径的压头；当试样尺寸允许时，应优先使用直径为 10mm 的球压头进行试验。 使压头与试样表面垂直接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和震动，直至将试验力施加至规定值。 试验力保持时间为 1015 秒。 对特殊材料，试验力保持时间可以延长，但误差应在 177。 2 秒。 任一压痕中心距试样边缘距离，至少为压痕平均直径的 倍。 相邻压痕中心间的距离至少为压痕直径的 3 倍。 应在两相互垂直方向测量压痕直径，用两个 读数的平均值计算布氏硬度。 （或按 GB/T 查得布氏硬度值） 布氏硬度试验范围上限不大于 650HBW。 (3)金属维氏硬度 测试原理 将顶部两相对面具有规定角度的正四棱锥体金刚石压头用试验力压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长 度。 维氏硬度值是试验力除以压痕表面积所得的商，压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的 第 14 页 共 37 页 理想形状。 术语及定义 试验力 试验时所用的负载。 压痕对角线 卸载后，压头在被测样品表面留下的方形或菱形压痕的对角线。 压头 夹角 压头顶部两相对面的夹角。 测试程序 试验一般在 1035℃ 的室温进行。 对温度要求严格的试验，试验温度应为23℃ 177。 5 ℃。 根据试样厚度和硬度选择试验力。 使压头与试样表面垂直接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和震动，直至将试验力施加至规定值。 试验力保持时间为 1015 秒。 对特殊材料，试验力保持时间可以延长，直至试样不再发生塑性变形，但误差应在 177。 2 秒。 应测量压痕两条对角线长度，用其算术平均值或通过查表得到硬 度值。 放大系统应能将对角线放大到视场的 25%75%。 考虑各种测试方法 的应用范围，最终我们选用金属洛氏硬度的测试方法，该硬度计型号为 HR150A，具体参数见 表。 表 洛氏硬度计主要技术规格 型号 测量范围 / HRC 试验力 /N 硬度分辨率 / HR HR150A 2070 、 、 1471 金相分析设备 金相组织：金属材料的内部结构，只有在显微镜下才能观察到。 在显微镜下看到的内部组织结构称为显微组织或金相组织。 钢材常见的金相组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体等。 金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算 机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。 用入射照明来观察金属试样表面 (金相组织 )的显微镜。 我们选择 Axio Imager A1m 对不同状态下的 3Cr2W8V 钢金相图谱分析，该显微镜具体参数见 表。 表 Axio Imager A1m 参数 第 15 页 共 37 页 型号 仪器放大倍数 目镜放大倍数 物镜放大倍数 Axio Imager A1m X 10X、 16X、 25X 5X、 10X、 20X、 50X、 100X X—射线相分析设备 D/maxRB： D/maxRB 粉晶样品的定性、定量、动态高温 X 射线衍射分析。 配有高温附件，可进行从室温至 1500℃ 的动态高温 X 射线衍分析。 X 射线衍射仪常规分析可用于无机和有机小分子的固体化合物物相的定性、定量及结构分析，纳米材料的粒度表征 , 催化学科合成新型催化剂的物相和结构的表征，无机化学合成新型材料的鉴定，金属材料腐蚀产物的剖析。 D/maxRB 的具体性能参数，见表。 表 D/maxRB 参数 型号 电压 电流 2θ 铜靶波长 D/maxRB 60 千伏 200 毫安 1420 埃 由于本实验主要是进行定性分析，因此角度范围为 30100176。 速度为 7186。 /mm。 取点为 ， 电压为 40kv， 电流为 100Ma。 热处理工艺方法及选择 (1)预选热处理选择 正火 正火通常是把钢加热到临界温度 Ac3 或 Acm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。 正火目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。 正火的主要应用范围有： ① 用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。 ② 用于中碳钢，可代替调质处理作 为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 ③ 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。 ④ 用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。 ⑤ 用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。 ⑥ 用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 ⑦ 过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。 退火 退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热 到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。 第 16 页 共 37 页 退火目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。 退火工艺分类 根据钢的化学成分和退火目的的不 同，退火工艺种类很多。 其中按加热温度可分为两大类：一是临界温度 （ Ac1 或 Ac3）以上的退火，称为 “相变重结晶退火 ”，包括完全退火、不完全退火、晶粒粗化退火、扩散退火和球化退火等；二是加热到临界温度（ Ac1 或 Ac3）以下的退火，称为 “低温退火 ”，包括软化退火、再结晶退火和去应 力退火等。 下面介绍几种常用的退火工艺 完全退火：将亚共析钢加热至 Ac3 以上 2030℃ ，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而得到接近平衡的组织，这种热处理工艺称为完全退火。 完全退火只适用于亚共析钢，不宜用于过共析钢，过共析钢缓冷后会析出网状二次渗碳体。 使钢的强度、塑性和韧性大大降低。 不完全退火：不完全退火又叫不完全重结晶退火，是将钢加热到 Ac1 与 Ac3 或 Ac1 与 Acm 之间某一温度，保温后缓慢冷却下来，使钢组织发生不完全重结晶。 不完全退火可用于亚共析钢也可用于共析钢。 不完全退火的目的与完全退火 相同，都是通过相变重结晶来细化晶粒，改善组织，去除应力，改善切削性能，只是由于重结晶不完全而程度稍差，但却能节约时间，降低费用，提高生产率。 球化退火：球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。 将钢加热到 Ac1以上 2030℃ ，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。 球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长 大，冷却时工件变形和开裂倾向小。 另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。 球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。 普通球化退火是将钢加热到 Ac1 以上 2030℃ ，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到 500℃ 左右出炉空冷。 等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于 Ar1 的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的 倍。 等 第 17 页 共 37 页 温后随炉冷至 500℃ 左右出炉空冷。 和普通球化退火相比，等温球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组 织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 结合 3Cr2W8V 钢的实际特点，对正火和退火的优缺点以及适用范围进行比较，发现正火和退火都能满足实验要求，但是为了实验的精确性，并且退火能够细化晶粒，消除内应力，最终我们选择退火作为预选热处理，在退火具体工艺的选择过程中，等温球化退火不仅适用于 3Cr2W8V 钢，并且球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 时间短，生产效率高。 综上所述，最终选择等温球化退火作为预选热处理。 (2)最终热处理的选择 淬火 将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却 ，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、贝氏体和奥氏体等的热处理工艺。 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。 也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。 常用的淬火方法有单液淬火法、中断淬火法（双淬火介质淬火法）、分级淬火法、等温淬火法。 单液淬火法，把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却。 它是最简单的淬火方法， 常用于形状简单的碳钢和合金钢工件 ， 优点是操作简单，易于实现机械化，应用广泛。 缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。 中断淬火法（双淬火介质淬火法），把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力较强的淬火介质中冷却至接近 Ms 点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，以达到在不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火冷却速度。 可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。 双液淬火的缺点是难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。 分级淬火法，把工件由奥氏 体化温度淬入高于该种钢马氏体开始转变温度的淬火介质中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓慢。