热处理工艺论文范文

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2试验结果及分析

2．1热处理温度对镀层硬度的影响改变热处理温度得到的镀层硬度测试结果如表2所示，镀层硬度随加热温度的变化关系曲线(图2)可以看出，在100～400℃镀层的硬度值随温度的升高而增加，当温度达到400℃时硬度达到最大值(1096HV)，此后，随着加热温度的继续升高，镀层硬度值随温度的升高而快速下降．这是由于温度升高，镀层表面晶格发生畸变，使其硬度逐渐升高．在硬度达到最大值后再升高温度，因析出物聚集长大致镀层硬度下降．最佳热处理时间可以选为400℃。

2．2热处理时间对镀层硬度的影响改变热处理时间得到的镀层硬度测试结果如表3所示，由镀层硬度随加热时间的变化关系曲线(图3所示)可以看出，在10～40min镀层的硬度值随时间的增加由587HV快速增加到975HV，在40～90min硬度值增加缓慢，90min时硬度值达到最大1096HV，这与图2镀层硬度随加热温度变化的最大值完全一致，之后硬度值开始下降，120min后，硬度值基本趋于稳定，但仍比镀态硬度大．这是由于在加热的最初90min内，镀层中的有大量的Ni3P析出，使镀层硬度值增加，当继续延长加热时间时，也可能有少量的Ni3P析出，但由于在400℃加热温度条件下，长时间保温会导致Ni3P颗粒的聚集长大和Ni-Mo固溶体晶粒的尺寸长大，二者的共同作用最终导致了镀层硬度的减小，120min后镀层组织基本稳定，镀层硬度值也基本趋于稳定。

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2变形的其他影响因素及减小措施

2.1预备热处理在热处理过程中，有可能引起内孔的变形增大，如存在混晶、大量索氏体或魏氏组织以及过高的正火温度。因此需要对正火温度进行控制，也可以采用等温退火的方式来对锻件进行处理。金属最终的变形量与很多因素有关，如淬火前进行的调质处理以及退火和正火。金属产生变形进而导致金属组织结构也发生变化。研究和实践表明，为使金属组织结构均匀，在进行正火处理时采用等温淬火是一种有效的减小其变形量的措施。

2.2运用合理的冷却方法金属淬火后冷却过程的控制也是必须考虑的一个因素。淬火后采用油进行冷却，因此其变形直接受到油的冷却能力的影响。通常来说，热油淬火产生的变形小于冷油淬火，一般控制在100+20％。同时，变形还受到淬火的搅拌方式和速度的影响。在进行金属热处理时，金属产生的应力及模具的变形与冷却的速度和冷却的均匀程度有关。过快的冷却速度和不均匀冷却都会导致应力及模具变形的增大。因此，应尽量采用预冷，不过需要注意的是应保证模具的硬度要求。为减少热应力和组织应力，可以选用分级冷却淬火，这种方式对形状复杂的工件十分有效，能显著减少其变形。采用等温淬火的方式，则适用于十分复杂并且有较高精度要求的工件，能使金属变形显著减少。

2.3零件结构要合理改善零件的结构是减少热处理变形的关键环节。经过热处理后的工件，其厚度不同的部分冷却的速度也是不同的。因此，在满足工件使用性能的前提下，应使工件的厚度差别不能过大，尽量使零件的截面均匀，减少由应力集中导致的过渡区的畸变和开裂现象。保持结构与材料成分和组织的对称性，避免尖锐棱角、沟槽等。此外，采用预留加工量的方式也是减少厚度不均匀零件变形的有效方式之一。

2.4采用合理的装夹方式及夹具通过采用合理的装夹方式和夹具，能够使工件获得均匀的加热和冷却，从而减少热应力以及组织应力的不均，有效减小热处理导致的工件变形。

2.5机械加工工件的加工通常需要经过很多道工序，如果热处理加工是最后的工序，则应控制其畸变的允许值，使之满足图样规定的工件尺寸。依据上道工序的加工尺寸来对畸变量加以确定，因此掌握畸变规律尤为重要，为使热处理导致的畸变处于合格的范围，在进行热处理前应对尺寸进行预修正。如果热处理是中间的工序，机加工余量和热处理畸变量之和即为热处理前的加工余量。导致热处理变形的因素多而复杂，因此相较于机械加工余量来说，热处理的加工余量不易确定，在实际加工中应留出足够的加工余量用于机械加工。

2.6采用合适的介质在热处理的过程中，介质的选择也十分重要，应选择有利于减小变形量的介质。研究和实验表明，硬度要求相同的情况下，采用油性介质是更好的选择。不同介质具有不同的冷却速度，在其他条件相同的情况下，同油性介质相比较，水性介质的冷却速度较快。此外，水温的变化也会对介质的冷却性能造成影响，其变化对油性介质冷却特性产生的影响较小。热处理条件相同的情况下，水性介质淬火后会产生相对较大的变形量。

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1.2渗碳+空冷真空炉二次加热淬火回火金相组织能有效保证，变形量基本能保证合格，但是由于真空炉淬火油冷却速度慢，心部容易出现上贝氏体，且F也容易超标，真空炉装炉量小、前后清洗困难、生产效率低下。

1.3多用炉碳氮共渗+直接淬火回火热处理变形能保证合格，但是M、AR、K很难保证同时合格，金相组织难于控制。由于N原子的渗入，使得Ac1、Ac3线下降，从而使得材料的过热倾向性比渗碳要大，淬火后M和AR级别比同温度的渗碳工艺要高，因此，要控制好碳化物、M和AR级别通常采用较低的温度和适当的碳势和通NH3量。虽然，原始坯件经过调质处理，但是，M和AR级别很难“持续、稳定地”控制在3级以下，经常出现4～5级马氏体，这样给后续冷处理带来麻烦，有时AR级别达到4～5级，即使冷处理后AR也不会降到≤1%，需要进行两次冷处理加两次回火，并适当提高回火温度。另外，如果M、AR和K级别同时为1级的时候，产品的抗回火性能差，回火后往往硬度偏低，特别是后续磨加工后，表面硬度降到59HRC以下，偶尔还发现有的为58HRC。因此，必须将M和AR级别稳定地控制在2～3级、碳化物3～4级才能保证产品质量。

2改进工艺试验

2.1多次回火+适度升高回火温度针对上述碳氮共渗工艺，再通过多次回火来消除多余的AR、使M转化成回火马氏体。或采用适度升高回火温度，将温度由原来的175℃提高到190℃，通过两次回火，M和AR级别在4级的情况有所降低，但是评定为3级也很勉强，再增加回火次数，由于AR陈稳化，已经没有作用。如果继续升高温度，表面硬度将进一步下降，内孔表面硬度已经到了下极限。很显然，这种方法效果有限，每一炉产品都单独制定回火工艺，不是从根本上解决问题的有效办法。

2.2碳氮共渗抗回火性能的初步试验根据20CrMo钢[1]的Ac1、Ac3，确定碳氮共渗温度845℃，其他工艺参数见表1，其中氨流量及碳势均高于常规碳氮共渗热处理工艺。试验结果：产品变形量合格；；淬火状态下测定层深0.48mm(金相法测定全渗层)，M和AR均4级，K是1级，心部F是8级，心部硬度33～34HRC，表面硬度58～61HRC；经260℃×3h回火，再次测量，M和AR均为2级，表面硬度55～56HRC，采用洛氏硬度机直接测量结果为79.5～80HRA，换算结果为57～58HRC。试验结果说明：升高回火温度后确实能降低M和AR级别至合格范围；虽然表面硬度已经不合格，但是通过HRA测定，表面硬度并没有过分降低，说明抗回火性能较好，只是因为渗碳层太浅，承载能力差，需要增加渗层深度提高承载能力，同时适当降低回火温度；心部F及心部硬度不合格，淬火温度过低。

2.3高氮、高碳势共渗及适度升高回火温度由于20CrMo渗碳后，特别是采用高碳势渗碳后其化学成分具有类比性的钢号是GCr9轴承钢，该钢在220℃回火能保证硬度≥60HRC[1]，据此采用220℃回火。因碳氮共渗具有提高耐回火性的作用[2]，试验了采用高氮、高碳势碳氮共渗以进一步提高工件的抗回火性。适度调整回火温度，可以分解过量的AR同时分解粗大的M针(保证M和AR≤1～3级，K1～4级)，可以同时满足工件使用尺寸稳定性(AR≤1%)、耐磨性(内外表面硬度60～63HRC)及变形量小的技术性能要求，延长共渗时间增加层深，提高承载能力，具体热处理工艺参数改进如下：(1)通氨量由0.4m3/h增加到0.6m3/h，增加N固溶度，进一步增强抗回火性能。(2)采用1.10%的高碳势、降温阶段也保持高碳势1.0%～0.9%，以及提高共渗及扩散温度，使得工件表面获得高于常规碳氮共渗的碳势(0.95%～1.0%)，增加淬火后的初始硬度，增强抗回火性。(3)共渗温度由845℃升高到860℃，加快共渗速度；共渗时间由110mim延长到490min，则共渗层深度由0.48mm提高到0.8mm的上极限附近，增强承载能力。(4)将淬火温度由805℃升高至840℃，保证心部硬度F≤4级。(5)选择适当高的回火温度220℃，保证表面硬度，同时分解大量的残余奥氏体和粗大的马氏体；同时，由于回火温度较高，淬火压应力更加松弛，使得冷处理时AR转变更加容易。高氮高碳势碳氮共渗工艺参数见表2所示。试验结果：产品变形量仍然合格；淬火状态测量层深0.80m(金相法测定全渗层)，M和AR均为4～6级，碳化物3～4级，心部F3～4级，心部硬度35～37HRC，表面硬度≥63HRC。经220℃×4h回火后测量：M和AR均为2～3级，碳化物3～4级，心部F3～4级，心部硬度35～36HRC，表面硬度60～63HRC，各项指标全部合格。

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2热处理工艺

（1）在盾构刀具制造材料中，4Cr5Mo-SiVl钢是常用于制造刀圈的材料之一。4Cr5Mo-SiVl相当于美国牌号AISI-H13，日本JIS-SKD61、德国X40CrMoV5-l，是一种铬系中合金高强韧热作模具钢，该钢的特点是含铬量较多，具有较高的淬透性，如厚度为150mm的钢可油冷淬透。由于合金元素含量较高，具有较高的回火抗力和抗氧化性。模锻时锻造温度范围较窄，应严格控制锻造温度，模锻加热温度在1120～1150℃，始锻温度在1080～1120℃，终锻温度不小于850℃，模锻后应该缓冷并及时退火，以免产生裂纹。4Cr5-MoSiVl钢球化退火工艺为860℃±10℃×2h，降温到750℃±10℃×4h，500℃左右出炉。普通退火工艺为845～880℃×2～4h，然后缓冷到500℃左右出炉。4Cr5MoSiVl钢刀圈材料淬火加热温度一般为1020～1050℃，空冷或油冷材料的硬度HRC55～58，淬火组织为细针和隐针马氏体、未溶的碳化物和残余奥氏体，需适当的回火提高韧性。文献［12］在4Cr5MoSiVl基础上，通过提高含碳量至0.5%，适当增加Mo、Cr、V合金元素含量，热处理工艺为1060℃真空淬火+550℃回火3次，回火后硬度HRC55～58，且具有良好的韧性。3次回火的目的是由于合金元素含量较高，淬火后全相组织中残余奥氏体含量较高、硬度偏低，淬火后第一次回火可促使部分奥氏体的分解和对淬火马氏体进行回火，而在第一次回火冷却过程中部分未分解的奥氏体会转变为二次马氏体；第二次回火是对二次马氏体的回火并进一步促进奥氏体分解，减小奥氏体含量；通过第三次回火可使奥氏体含量达到较低水平，提高材料硬度和组织稳定性。（2）进口盾构刀圈材料中，有的用40CrNiMo制造刀圈。40CrNiMo属于低合金超高强度钢，常用于调质结构钢，具有良好的韧性、强度和耐磨性。40CrNiMo是在热作模具钢50CrNiMo钢的基础上降低含碳量而来，因此韧性提高。用40CrNiMo钢制造切割圈，热处理采用870℃淬火220℃回火，硬度为HRC50～55，全相组织为回火马氏体和少量残余奥氏体组织。文献［13］分析进口40CrNi-Mo刀圈材料与国产4Cr5MoSiVl的刀圈材料，发现进口刀圈材料的硬度值从刀圈刃部至内圈逐渐减小，表面硬度为HV627（HRC56.5）、心部硬度HV530（HRC51），但具有很高的冲击值、良好的综合力学性能和耐磨性，进口刀圈材料基体组织主要为回火板条马氏体，细小的碳化物不连续地分布在马氏体板条间及晶粒内部。而国产4Cr5MoSiVl全相组织虽然也为回火马氏体，但析出碳化物沿晶界及马氏体板条间分布，导致刀圈的冲击值降低，使用寿命低于进口刀圈。（3）5Cr5MoSiV属于中合金模具钢，热处理时材料的硬度一般随淬火温度的升高而增加，在1060～1100℃时硬度达到峰值，淬火后回火温度在500～560℃时硬度达到最大值［14］。5Cr5MoSiV的热处理工艺一般为1060～1100℃淬火+530～560℃2次回火，硬度HRC57～60。淬火后多次回火使奥氏体充分分解或回火冷却过程发生马氏体转变，减少奥氏体量、稳定组织和提高材料硬度，淬火回火的全相组织为回火马氏体和其上弥散分布的碳化物，如VC、Mo2C及M23C和少量M3C型碳化物，碳化物在基体中弥散分布能提高材料的硬度及其耐磨性能。文献［15］研究了热处理对5Cr5MoSiV钢硬度和耐磨性的影响，结果表明，5Cr5MoSiV钢较合适的热处理工艺为1060℃淬火+530℃2次回火，可获得较高的硬度（HRC57～58）和良好的耐磨性。为了进一步提高5Cr5MoSiV材料的韧性和塑性，合金化时可再加入微量的稀土和钨，形成5Cr5MoWVSiRe钢［16］，钢中加入钨能形成复合碳化物，提高耐磨性；稀土的加入可以净化钢液、细化组织，能够改善钢的力学性能，耐磨寿命达到或略超过进口刀圈的寿命。（4）50CrMoV属于低合金模具钢，用50Cr-MoV制造刀圈的模锻始锻温度为1100℃，终锻温度900℃。由于材料含碳量较高，存在提高淬透性元素Cr、Mo，模锻空冷后可产生马氏体组织，硬度较高。因此模锻时要注意严格控制终锻温度和锻造后的锻件冷却速度，以防止锻造裂纹发生，模锻后刀圈在机械加工前应进行软化退火，温度在750℃～780℃。刀圈的奥氏体加热温度为870～880℃。为防止刀圈在淬火加热时发生表面脱碳，淬火加热最好在可控气氛热处理炉内进行或采用真空淬火热处理，淬火后的刀圈应及时进行热处理，50CrMoV回火温度在500℃～550℃，回火后刀圈的硬度HRC56～59。（5）6Cr4Mo2W2V为一种高合金模具钢，含有较高的铬、钼和钨，具有良好淬透性、耐磨性和韧性，应用于岩石抗压硬度较高的情况，是制造滚刀刀圈理想材料之一。实验表明［17］，6Cr4-Mo2W2V钢制滚刀的使用寿命是9Cr2Mo钢制滚刀使用寿命的2倍以上，制造刀圈的热处理工艺为680℃回火、820℃加热、1150℃加热，预冷一定时间后在200℃等温处理，油冷、540℃3次回火，刀圈截面硬度HRC62～63，硬度分布均匀，刀圈材料中含有一定量的下贝氏体组织，形成回火马氏体和下贝氏体的复相组织，结果表明这种复合组织对提高滚刀的磨料磨损有利。（6）9Cr2Mo钢属于高碳低合金钢，一般作为Cr系冷轧辊用钢。9Cr2Mo钢制作刀圈材料，钢的硬度值控制在HRC54～58，用于软岩滚刀刀圈，具有耐磨性和经济效益［18］。9Cr2Mo钢通过等温淬火，可形成下贝氏体或下贝氏体和马氏体的复相组织，可提高耐磨性。9Cr2Mo钢淬火温度为840～860℃，淬火后硬度66～68HRC，回火温度360℃，硬度HRC56～57。淬火回火状态的全相组织为隐针状马氏体、针状马氏体、贝氏体组织和碳化物。文献［19］研究了热处理对9Cr2Mo钢硬度的影响，结果表明9Cr2Mo钢具有较高的淬透性，实际生产时热处理可采用油淬，加热至温度845℃淬火，硬度达HRC61，淬火全相组织为马氏体、Fe3C和残余奥氏体，随淬火温度的提高，全相组织中残余奥氏体增加、硬度降低，淬火后随回火温度的提高，硬度有降低的趋势，300℃以前回火硬度变化较小，HRC为57～61；淬火回火组织为回火马氏体、碳化物或回火马氏体、下贝氏体和碳化物。超过300℃回火，硬度下降较快。9Cr2Mo实际生产中可采用840℃淬火、300℃～360℃回火，可获得较高硬度（HRC54～57）和韧性。从上述分析可以看出，刀圈材料经热处理后的表面硬度较高，一般在HRC56-60，心部硬度HRC50-56，可以承受较大的冲击。对于软岩和中硬岩的刀圈材料，刀圈所受岩石的冲击力相对较小，可用利用刀圈的高硬度来提高碾压破岩效率，可用一般的工模具钢或高碳低合金模具钢制造，经淬火回火热处理使用。对于硬岩，刀圈所受岩石冲击力较大，为提高材料的耐磨性和冲击性能，可采用基体钢或中高碳中合金钢制造，配合合理的淬火或回火工艺，为提高刀圈的使用寿命，也可在刀圈刃部镶嵌硬质合金，以提高刀圈材料使用寿命。

3提高盾构滚刀刀圈材料耐磨性能的主要措施

分析国内外刀圈材料的组织和性能，提高盾构滚刀刀圈耐磨性和寿命的主要措施有材料、热处理、表面处理、破碎岩石的特性等方面。材料方面主要提高刀圈材料的纯净度，减小材料的成分偏析、带状偏析及其气体和夹杂物含量、细化刀圈材料的组织，提高材料的纯净度，采用电弧炉冶炼+炉外精炼，或采用电渣重熔等措施，提高材料的冶金质量。在热处理工艺方面应研究热处理工艺参数对组织和性能的影响规律和机理，确定合适的热处理加热温度、回火温度及回火次数，通过热处理细化材料的全相组织、提高刀圈的韧性。对于破碎工况，要分析了解岩石的硬度特征，对于硬岩工况，为了提高刀圈材料耐磨性，可以在刀圈工作部分镶嵌硬质合金刀头，或采用回火抗力较高的刀圈材料；对于软岩工况，适当提高刀圈材料的硬度，对耐磨性有利。刀体部分可选用耐磨合金钢材料，也可采用表面堆焊硬质合金、热喷涂耐磨层、渗氮或碳氮共渗等方法增加表面硬度，提高滚刀的耐磨性。