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低碳钢及低碳合金钢的表面热处理技术

低碳钢(mild steel)为碳含量低于0.25%的碳素钢,因其强度低、硬度低而软,故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢,大多不经热处理用于工程结构件,有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体,其强度和硬度较低,塑性和韧性较好。因此,其冷成形性良好,可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢还具有良好的焊接性。含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造,焊接和切削, 常用于制造链条, 铆钉, 螺栓, 轴等。

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低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体,其强度和硬度较低,塑性和韧性较好。因此,其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳钢硬度很低,切削加工性不佳,正火处理可以改善其切削加工性。

低碳钢有较大的时效倾向,既有淬火时效倾向,还有形变时效倾向。当钢从高温较快冷却时,铁素体中碳、氮处于过饱和状态,它在常温也能缓慢地形成铁的碳氮物,因而钢的强度和硬度提高,而塑性和韧性降低,这种现象称为淬火时效。低碳钢即使不淬火而空冷也会产生时效。低碳钢经形变产生大量位错,铁素体中的碳、氮原子与位错发生弹性交互作用,碳、氮原子聚集在位错线周围。这种碳、氮原子与位错线的结合体称岁柯氏气团(柯垂耳气团)。它会使钢的强度和硬度提高而塑性和韧性降低,这种现象称为形变时效。形变时效比淬火时效对低碳钢的塑性和韧性有更大的危害性,在低碳钢的拉伸曲线上有明显的上、下两个屈服点。自上屈服点出现直到屈服延伸结束,在试样表面出现由于不均匀变形而形成的表面皱褶带,称为吕德斯带。不少冲压件往往因此而报废。其防止方法有两种。一种高预形变法,预形变的钢放置一段时间后冲压时也会产生吕德斯带,因此预形变的钢在冲压之前放置时间不宜过长。另一种是钢中加入铝或钛,使其与氮形成稳定的化合物,防止形成柯氏气团引起的形变时效。

低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板,用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等。优质低碳钢轧成薄板,制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品;还轧成棒材,用于制作强度要求不高的机械零件。低碳钢在使用前一般不经热处理,碳含量在0.15%以上的经渗碳或氰化处理,用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。

低碳钢由于强度较低,使用受到限制。适当增加碳钢中锰含量,并加入微量钒、钛、铌等合金元素,可大大提高钢的强度。若降低钢中碳含量并加入少量铝、少量硼和碳化物形成元素,则可得到超低碳贝氏体组够其强度很高,并保持较好的塑性和韧性。

原先由于低碳钢固有的特性,使其使用范围大大受到局限,随着国内一些新技术在钢铁行业的应用,低碳钢的许多新兴用途得到了很好的开发利用,目前国内一些大型钢厂或钢铁贸易公司都积极地与国内的大型吊索具企业密切合作,共同开发出一系列高技术高精密高质量的索具产品,在国内乃至全球的索具行业,起到了很好的技术推动作用。这也给我们对低碳钢的综合利用,指明了新的道路。

低碳钢为韧性材料。其拉伸时的应力-应变曲线主要分四个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段,在局部变形阶段有明显的屈服和颈缩现象。开始时为弹性阶段,完全遵守胡克定律沿直线上升,比例极限以后变形加快,但无明显屈服阶段。

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据统计,机械产品中80%以上零件的报废是由于表面失效造成的,而真正因材料整体强度不足产生断裂或变形的零件失效所占的比例很小(事实上,许多零件发生破裂,其裂纹也首先是从表面产生的)。因此,提高材料表面耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性能及强度,是延长 零部件使用寿命、合理配置性能、保证系统稳定性的关键。因此,表面热处理技术,得到了人们的极大关注,发展很快,对各类构件的性能的提高发挥着越来越重要的作用。 


渗层深度一般为0.1~1.5mm,属中等深度,主要用于表面硬化。表层组织为(马氏体+碳化物+残留奥氏体),表层应力状态为高残余压应力。经淬火后,表面硬度可达58~65HRC,心部硬度一般为30HRC左右,具有良好的耐磨性,有好的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、抗 粘着咬合能力及较高冲击韧性。热处理变形倾向较大,但不易开裂。本工艺适用钢材为低碳钢和低碳合金钢,如15、20、12CeNi3、20Cr2Ni4、20Cr、15CrMo、20CrMo、20CrMnTi等及铁基粉末冶金材料,主要用于表面要求耐磨、耐疲劳,而心部韧性好的重载荷零件。本工艺所用钢材成本较低或中等,设备投资较高。本工艺渗层较浅,一般为0.1~1.0mm,大多用于表面硬化。表层组织为(碳氮化合物+含氮马氏体+残留奥氏体),表层为高残余压应力状态。淬火后,表面硬度达60~65HRC,耐磨性较高,有良好的接触疲劳强度和良好的弯曲疲劳强度及好的抗咬合能力和好的冲击韧性。

 

热处理变形倾向及开裂倾向同渗碳淬火工艺。本工艺适用钢材为低碳钢、低碳合金钢、中碳合金钢及铁基粉末冶金材料,如中碳合金钢40Cr、35CrMo、42CrMo等,低碳钢、低碳合金钢及铁基粉末冶金材料同渗碳淬火。主要用于表面要求耐磨、耐疲劳,而心部韧性好的 中载荷零件。本工艺渗层较薄,一般为0.1~0.4mm,主要用于表面硬化。表层组织为(氮碳化合物+含氮固溶体),表层为高残余压应力状态。渗氮后,表面硬度一般为800~1200HV(63~71HRC),耐磨性很高,同时具有良好的接触疲劳强度、良好的弯曲疲劳强度、良好的抗咬合能力及较好的冲击韧性。氮化处理变形倾向及开裂倾向很小。渗氮后的零件,一般不再进行加工。特殊情况下,只能进行加工量很小的精磨。本工艺适用材料为中碳合金渗氮钢及球墨铸铁,如38CrMoAl、3Cr13、35CrMo、42CrMo、20CrMnTiT、QT600-3等。主要用于表面耐磨性要求很高的重要零件。  

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渗层的化合物层一般为0.005~0.020mm,主要用于表面硬化。表面硬化层组织为(表面碳氮化合物层+内部氮扩散层),表面为高残余压应力状态。氮碳共渗后,表面硬度一般为500~800HV(50~63HRC),耐磨性较高,接触疲劳强度和弯曲疲劳强度较好,抗咬合能力最好。氮碳共渗处理变形倾向及开裂倾向很小。氮碳共渗处理,一般都是最后工序,不允许再经加工。根据选用频率不同,硬化层范围为0.8~50mm,主要用于表面硬化。表面组织为马氏体,表层为高的残余压应力状态。表面硬度可达55~65HRC,具有高的耐磨性,好的接触疲劳强度,好的弯曲疲劳强度和较好的抗咬合能力。变形及开裂倾向较小。感应淬火后,一般都要经过磨削加工。火焰淬火的表面硬化层一般在1~12mm,主要用于表面硬化。表层组织为淬火马氏体,表层为高的压应力状态。表面硬度可达55~63HRC,表面耐磨性高,具有好的接触疲劳强度,好的弯曲疲劳强度和较好的抗咬合能力。淬火变形及开裂倾向较小。火焰淬火后,一般都要经过磨削加工。本工艺适用材料为中碳钢或中碳合金钢。主要用于表面要求耐磨的零件。

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