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钢中微量元素对热处理工艺的影响

发布时间：2014-03-26

发布者：张力

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　　微量元素是指钢中以杂质形式存在的金属或非金属元素。钢材生产标准中对这些元素的含量有严格的限制。本文讨论的是在标准范围内的微量元素对热处理工艺的影响。
 
1、微量元素对35 钢淬透性的影响
　　35 钢零件在热处理中出现变形、开裂是常见的。造成事故的诸因素中, 有时微量元素起主导作用。它们能明显地影响35 钢的淬透性。表1 所示为的35 钢试样化学成分, 试样正火处理后, 经870℃ 加热, 保温(网带运转时间)60 m in , 每组2 件分别在流动水和循环油中淬火。
 
         表1             35 钢试样化学成分( W %)
                序号
            C
            Si
            Mn
            Cr
            B
        
            1
            0.37
            0.22
            0.64
            0.25
            0.0008
        
            2
            0.33
            0.25
            0.61
            0.085
            0.0009
        
            3
            0.365
            0.24
            0.65
            0.26
            0.0075
        
            4
            0.34
            0.21
            0.59
            0.09
            0.001
        

　　图l 是试样淬火后横截面上的硬度的分布情况。从表1 和图1 可见, 由于1 号试样含铬明显高于2 号, 其硬度分布曲线明显偏高, 尤其是心部硬度高出7H R C 。在油中淬火的3 、4 号试样, 硬度曲线亦明显不同, 其表面硬度3 号较4 号高8HRC。
              1 、2 号试样水淬， 3 、4 号试样油淬      

2、微量元素对SWRCH35K钢A c 3 点的影响
　　据文献介绍,SWRCH35K钢的最低淬火温度可选用805℃,淬火硬度仍可保持在48HRC 以上；采用870℃淬火, 马氏体并不粗大, 也未发现变形开裂。在处理SWRCH35K钢GB/T5782M12X90时, 有时820 ℃ 淬火亦出现裂纹；有时8 40℃淬火, 硬度却不足。曾用890℃加热淬火试验, 经认真检查并未发现裂纹, 组织亦属正常。经成分验证, 微量元素及含碳量都在下限。表1是 试样化学成分(% )。

3、微量元素对SWRCH25K钢回火稳定性的影响

　　GB/T70.1M14X50, 其材质为SWRCH25K。在多年的生产实践中, 经常出现用同一工艺参数处理的螺钉硬度值相差很大。从操作及设备检查, 经多次试验分析, 证明造成此问题的原因是微量元素的影响引起的。

　　由表2 可见, 1、2 号试件含铬、硼高, 淬火后硬度及回火后硬度高,说明铬、硼增加钢的回火稳定性。要使其回火硬度达到要求的数值, 需提高回火温度。
 
             表2      SWRCH25K钢化学成分(% )
                编号
            1
            2
            3
            4
            5
            6
        
            淬火硬度
880℃/HRC
            46.5
            46
            44
            44
            45
            45.5
        
            回火硬度440℃/HRC
            28.5
            27.5
            26
            25.5
            26
            26.5
        
            C %
            0.28
            0.285
            0.24
            0.245
            0.23
            0.25
        
            Si %
            0.27
            0.265
            0.255
            0.25
            0.26
            0.22
        
            Mn %
            0.485
            0.46
            0.51
            0.48
            0.51
            0.49
        
            Cr %
            0.19
            0.19
            0.07
            0.0045
            0.045
            0.06
        
            B %
            0.0007
            0.0008
            0.0006
            0.0003
            0.0004
            0.0003
        
 
4、微量元素导致开裂

　　文献指出, 碳、铬含量都在规定值的上限时就能引起零件淬火后开裂。冬季我们在处理GB/T5783M12X45时, 出现了批量淬火裂纹。其材质为35 钢。试验时发现, 该批料中有一个炉号, 840℃ 加热油淬能达到50HRC以上, 金相组织为淬火马氏体+ 残留奥氏体, 心部为淬火马氏体+ 托氏体。这说明12 m m 的直径已淬透。而另一炉号在同样的条件下则淬不上火。该批料出厂化验单如表3 所示。
由表3可见, X炉号含铬量高, 使淬透性有很大提高。因而按常规水溶液淬火时, 造成开裂。后按标记把该炉号挑出来用快速油淬处理, 既避免了开裂, 又充分利用了材料。
 
          表3                  35钢化学成分( W % )
                元素
            C
            Si
            Mn
            P
            S
            Ni
            Cr
            B
        
            炉
号
            1#
            0.33
            0.23
            0.58
            0.021
            0.012
            0.06
            0.22
            0.008
        
            2#
            0.35
            0.21
            0.57
            0.24
            0.008
            0.05
            0.07
            0.0055
        
 
　　钢的淬透性取决于临界冷却速度, 而钢中微量元素能对临界冷却速度产生显影响。锰对淬透性的影响最强, 其次是铬、镍、硅。当微量元素含量在很低的范围内变化时, 它们使钢的临界冷却速度急剧下降,曲线很陡。当超过某一数值后就变得平缓了。由于钢中微量元素的存在, 使钢的临界冷却速度明显降低, 导致钢的淬透性增高。在靠近心部区明显偏高。另外, 由于微量元素(如C r )含量较高, 导致钢的临界冷却速度明显下降, 从而在具有较弱的冷却能力的介质中淬火时, 也可获得满意结果。
 
　　合金元素中能降低AC3点的元素有锰、镍、碳、铜等, 另外当Cr ≤7 % , B ≤0. 001%, 铬和硼也是降低AC3点的元素,, 作为最常见的添加元素锰、铬、镍、硼等都是降低AC3 点的元素，而它们又都是强烈提高钢淬透性的元素。这就不难解释, 为什么有些35 钢在800℃, 淬火效果仍然很好。

5、结语
　　(1) 中碳钢中C r＜0.10 % 时, 一般对热处理工艺无影响; 当C r ≥0.10 % 时, 对热处理结果有明显影响; 当C r＞0.20 % 时, 35 钢件水淬的开裂倾向很大。
 
　　(2) 钢中微量元素对热处理的不利影响是可以避免的。只要充分了解原材料的成分、组织, 采用相应的工艺参数及冷却方法, 就不会影响紧固件的性能及钢材的使用。
 

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序号	C	Si	Mn	Cr	B
1	0.37	0.22	0.64	0.25	0.0008
2	0.33	0.25	0.61	0.085	0.0009
3	0.365	0.24	0.65	0.26	0.0075
4	0.34	0.21	0.59	0.09	0.001

编号	1	2	3	4	5	6
淬火硬度 880℃/HRC	46.5	46	44	44	45	45.5
回火硬度440℃/HRC	28.5	27.5	26	25.5	26	26.5
C %	0.28	0.285	0.24	0.245	0.23	0.25
Si %	0.27	0.265	0.255	0.25	0.26	0.22
Mn %	0.485	0.46	0.51	0.48	0.51	0.49
Cr %	0.19	0.19	0.07	0.0045	0.045	0.06
B %	0.0007	0.0008	0.0006	0.0003	0.0004	0.0003

元素		C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	B
炉号	1#	0.33	0.23	0.58	0.021	0.012	0.06	0.22	0.008
炉号	2#	0.35	0.21	0.57	0.24	0.008	0.05	0.07	0.0055