合金元素对钢热处理的作用

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合金元素及其含量对热处理工艺性能的影响,主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。合金元素能够延缓奥氏体的形成、细化奥氏体晶粒、提高钢的淬透性、减少零件淬火变形等。

㈠合金元素对加热时转变的影响

合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。

合金元素的影响

⑴奥氏体形成速度的影响

延缓奥氏体的形成。Cr 、Mo 、W 、V 等强碳化物形成元素与碳的亲合力大,形成难溶于A 中的合金碳化物显著阻碍碳的扩散,大大减慢A 形成速度。为了加速碳化物的溶解和A 成分的均匀化,必须提高加热温度并保温更长的时间。Co 、Ni 等部分非碳化物形成元素,因增大碳的扩散速度,使A 的形成速度加快。Al 、Si 、Mn 等合金元素对A 形成速度影响不大。

⑵奥氏体晶粒大小的影响

细化奥氏体晶粒。大多数合金元素有阻止A 晶粒长大的作用,但影响程度不同。碳化物形成元素的作用最明显,因形成的碳化物在高温下较稳定,不易溶于A 中,能阻碍其晶界外移,显著细化晶粒。

按照对晶粒长大作用的影响,合金元素可分为:

①强烈阻止晶粒长大的元素:V 、Ti 、Nb 、Zr 等。Al 在钢中易形成高熔点AlN 、2 3 Al O

细质点,也强烈阻止晶粒长大。

②中等阻碍晶粒长大的元素:W 、Mo 、Cr 。

③对晶粒长大影响不大的元素: Si 、Ni 、Cu 。

④促进晶粒长大的元素: Mn 、P 、B 也略有此倾向。

由于锰钢有较强的过热倾向,其加热温度不应过高,保温时间应较短。

合金元素对Ms温度的影响

㈡对淬火冷却的作用

①提高钢的淬透性,减少零件淬火变形

C曲线是指过冷奥氏体的等温转变曲线,是表示奥氏体急速冷却到临界点以下,在各不同温度的保温过程中,转变量与转变时间之间关系的曲线。还可以称为S曲线或TTT曲线。大多数合金元素(除钴以外),使C曲线位置右移,临界冷却速度减小,从而提高钢的淬透性,通常对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火,即采用油淬火,以减少零件的淬火变形和开裂倾向。

合金元素对C曲线影响示意图

合金元素对钢的淬透性的影响,由强到弱可以排列成下列次序:钼、锰、钨、铬、镍、硅、钒。通过复合元素,采用多元少量的合金化原则,对提高钢的淬透性更有效。

必须指出,加入的合金元素,只有完全溶于奥氏体中时才能提高淬透性,如果未完全溶解,则碳化物会成为P 形成的核心,反而使钢的淬透性降低。另外,两种或多种合金元素的同时加入对淬透性的影响,比单元素的影响总和还强得多,例如铬锰钢、铬镍钢等。

②增加淬火钢的残余奥氏体

除Co 、Al 外,多数合金元素使Ms 、Mf 点下降。其作用强度的次序是; Mn 、Cr 、Ni 、Mo 、W 、Si 。其中Mn 的作用最强。Si 实际上无影响。Ms 、Mf 点的下降,使钢中残余奥氏体量增多,许多高碳高合金钢中的残余奥氏体量可高达30~40%以上。残余奥氏体量过多时钢的硬度和疲劳抗力下降,因此须进行冷处理(将钢冷至Mf 点以下)以使其转变为M ;或进行多次回火,使残余奥氏体因析出合金碳化物而使Ms 、Mf 点上升,并在冷却过程中转变为M 或B (即发生所谓二次淬火)。

此外,合金元素还影响M 的形态, Mn 、Cr 、Ni 、Mo 、Co 等均增大片状M 形成的倾向。

㈢合金元素对回火转变的影响

⑴提高回火稳定性 

合金元素在回火过程中推迟M 的分解和残余A 的转变(即将其推向较高温度);提高F 的再结晶温度;使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度,因此提高了钢对回火软化的抗力,即提高了钢的回火稳定性。使得合金钢在相同温度下回火时,比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度(对工具钢和耐热钢特别重要),或者在保证相同强度的条件下,可在更高的温度下回火,而使韧性更好些(对结构钢很重要)。提高回火稳定性作用较强的合金元素有;V 、Si 、Mo 、W 、Ni 、Mn 、Co 等。

铁碳合金的马氏体在100-700度回火1小时后的硬度和对应的结构变化

⑵产生二次硬化

一些Mo 、W 、V 含量较高的钢回火时,硬度不是随回火温度的升高单调降低,而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大,并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值,如图1 所示。这是回火过程的二次硬化现象,与回火析出物的性质有关。

①当回火温度低于约450℃时,钢中析出渗碳体;在450℃以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo C 2 、W C 2 、VC ,使硬度重新升高,而在550℃左右沉淀过程完成时,硬度达到峰值。称为沉淀硬化。此类合金元素有V 、W 、Mo 、Cr 、Ni 、Co 。

②二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余A 转变为M 的二次淬火所引起。产生此类二次硬化效应的合金元素有Mn 、Mo 、W 、Cr 、Ni 、Co 、V 。

⑶增大回火脆性 

和碳钢一样,合金钢也产生回火脆性,而且更显著,这是合金元素的不利影响。图2 为镍铬钢的韧性与回火温度的关系。250~400℃间的第一类回火脆性,是由相变机制本身决定的,无法消除,只能避开,但加入1~3% Si ,可使其温区移向较高温度。450~600℃间发生的第二类回火脆性,主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关,多发生在含Mn 、Cr 、Ni 等元素的合金钢中,这是一种可逆回火脆性,回火后快冷,抑制杂质元素向晶界偏聚,可防止其发生。钢中加入适当的Mo 或W(0.5% Mo ,1%W ),因强烈阻碍和延迟杂质元素等往晶界的扩散偏聚,也可基本上消除这类脆性。

合金钢回火脆性示意图