20CrMnTi的工艺路线分析

《金属材料学》SDUST-CECIL20CrMnTi的工艺路线分析山东科技大学材料科学与工程学院金属材料工程2011-4班郝建（201101130411）20CrMnTi的工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗加工→渗碳→淬火+低温回火→机械精加工20CrMnTi（J9：30-42HRC)主要性能特点：为中淬透性低碳钢，具有良好的综合力学性能，低温冲击韧度较高，晶粒长大倾向小，冷热加工性能均较好。该钢由于Cr、Mn、Ti多元复合合金化的作用，淬透性好油淬临界直径约40mm;渗碳淬火后，具有较高的耐磨性和高的强韧度，特别是低温冲击吸收能量比较高；钢的渗碳工艺性能好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。其中锰，铬主要作用是提高渗碳钢的淬透性，以使较大尺寸的零件在淬火时芯部能获得大量的板条马氏体组织。另外还可以改善渗碳层参数。钛可以组织奥氏体晶粒在高温渗碳时的长大，能细化晶粒。20CrMnTi钢一般可制造300mm的高速、中载、受冲击和磨损的重要零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等，其他钢种如20Mn2TiB、20CrMnMo等和20CrMnTi钢相近，有些方面优于20CrMnTi钢。一下料下料是指确定制作某个设备或产品所需的材料形状、数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操作过程。二锻造锻造是在锻压设备及工(模)具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。锻造方法有自由锻和模锻。自由锻是利用冲击力或压力使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。它适用于单件和小批量生产；特别适于重型、大型锻件生产。模锻是利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。常用的模锻设备有蒸汽-空气模锻锤、压力机等。它又分为锤上模锻，胎膜锻，压力机上模锻。适于小型锻件的成批大量生产。拔长时的锻造比为y拔=F0/F=L/L0镦粗时的锻造比为y镦=F/F0=H0/H通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。经锻造以后晶粒大小形状发生了变化，改变了钢的组织，增加了锻造应力，提高了硬度，在机械加工前需预备热处理。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。《金属材料学》SDUST-CECIL变形温度按变形温度，锻造又可分为热锻（锻造温度高于坯料金属的再结晶温度）、温锻（锻造温度低于金属的再结晶温度）和冷锻（常温）。钢的开始再结晶温度约为727℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800℃的是热锻；在300～800℃之间称为温锻或半热锻。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比。正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的始锻温度和终锻温度、合理的变形量及变形速度对提高产品质量、降低成本有很大关系。一般的中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料。棒料的晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状和尺寸准确，表面质量好，便于组织批量生产。只要合理控制加热温度和变形条件，不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件。铸锭仅用于大型锻件。铸锭是铸态组织，有较大的柱状晶和疏松的中心。因此必须通过大的塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松压实，才能获得优良的金属组织和机械性能。经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。对浇注在模膛的液态金属施加静压力，使其在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形和成形，就可获得所需形状和性能的模锻件。液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成形方法，特别适用于一般模锻难于成形的复杂薄壁件。不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；冲孔；矫正；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。铸件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理等，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。三预先热处理---正火《金属材料学》SDUST-CECIL定义：将钢加热至Ac3或Accm以上30～50℃保温，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。目的：①细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化；②提高普通结构零件的机械性能。③用于低碳钢，提高硬度，改善钢的切削加工性能；④用于中碳钢代替调制处理,为高频淬火做准备.⑤用于高碳钢可消除网状渗碳体,为球化退火做准备.20CrMnTi的正火工艺为：加热温度920~950摄氏度，保温，空冷156~207HBS加热温度在Ac3线以上，细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体。正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织与退火组织相比，组织中的珠光体量相对要多，且片层较细密，得到的珠光体邻域小,因此其机械性能也有所提高。正火后零件的强度和硬度比退火时要高,且随着含碳量的增加差别越显著。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。正火之前工艺一般为锻造，锻造温度在1200左右，使晶粒粗大，正火加热温度比锻造低但零件也完全奥氏体化，因此得到的奥氏体晶粒较锻造细小，冷却到两相区时，从奥氏体中析出铁素体，由于奥氏体晶粒细小，空冷后得到的铁素体与索氏体晶粒也很细小，使晶粒得以细化，机械性能也有所提高。正火的应用场合1.用于低碳钢低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，正火后硬度略高于退火，韧性也比较好，可作为切削加工的预备热处理。2.用于中碳钢正火代替退火提高零件的力学性能，一些受力不大的工件，正火可替代调制处理作为最终热处理，简化热处理工艺;也可作为用感应加热方式进行表面淬火前的预备热处理。3.用于工具钢、轴承钢等过共析钢球化退火前进行一次正火，过共析钢正火加热到Accm以上，使原先成网状的渗碳体全部溶入到奥氏体中，然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，可消除或抑制网状碳化物的析出，从而得到球化退火所需的良好组织。4.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。5.用于消除热加工的缺陷中碳构钢铸、锻、扎件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒及带状组织。通过正火可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒，均匀组织，消除内应力的目的。四机械粗加工1、在尽量短的时间内切除大部分多余材料。2、为精加工提供定位精基准。3、及时发现毛坯缺陷。机械加工中粗加工余量的大小要看加工件的形状、大小、厚薄、长短来确定。一般来说，短粗、厚实的零件的加工余量可以少留一些，细而长、薄而大的零件的加工余量要多留一些。因为前者不太容易变形，而后者容易变形。一般来说，粗加工是指去掉毛坯上铸造，锻造的不规则表皮，按照零件要求简《金属材料学》SDUST-CECIL单加工到加工余量在5毫米左右。之后精加工直接将材料加工到指定尺寸。加工设备可能是数控机床等的高级设备。粗加工：加工方法一般为，粗车、粗刨、粗铣、钻、毛锉、锯断等，可见刀痕。应用在非配合尺寸或不重要的配合，用于一般要求，加工精度在IT13~IT8，Ra≤80~20.半精加工：加工方法为半精车、精车、精刨、精铣、粗磨，表面可见加工痕迹或加工痕迹不明显。加工精度在IT10~IT7，Ra≤10~2.5，用于重要配合。精加工：加工方法为精车、精刨、精磨、铰，加工精度在IT8—IT6，Ra≤1.25~0.32，用于精密配合。超精加工：加工方法为精磨、研磨、镜面磨、超精加工，表面光泽或达到镜面。加工精度在IT6~IT5或更高，Ra≤0.16~0.01。主要用于量块、量仪和精密仪表、精密零件的光整加工刀具材料的选择刀具材料需满足一些基本要求：1.高硬度。刀具的最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上。高速钢硬度为63HRC~70HRC以上。硬质合金刀具硬度为89HRC~93HRC。2.高强度与强韧性。刀具在切削时受到很大的切削力和冲击力，一般刀具材料的韧性用冲击韧性Ak表示，反应刀具材料抗脆性和崩刀的能力。3.较高的耐磨性和耐热性（刀具耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下高强度的性能来衡量，也称热硬性）一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。4.优良的导热性。刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分的温度，减少了刀具磨损。刀具材料导热性好其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也越强。5.良好的工艺性与经济性。刀具不但具有良好的切削性能，本身还应易于制造，这要求刀具材料具有良好的工艺性。刀具的角度各种刀具都是由切削部分（刀头）和被夹持部分（刀体或刀柄）两部分组成。两者既可以是一体的，也可以是由不同材料连接起来。前角：基面和前刀面的夹角。是刀具的锋利程度。我们把铁屑流经过的面成为前刀面。后角：切削平面和后刀面的夹角。主要影响摩擦和刀具强度。主偏角：主切削刃和刀具进给方向的夹角。影响刀具的强度，和影响背向力，主偏角减小，背向力越大，机床的消耗率也越大，并且主偏角还会影响表面粗糙度。副偏角：副切削刃与进给方向的反方向的夹角即为副偏角。同样影响强度，摩擦，以及表面粗糙度。刃倾角：主切削刃和基面的夹角。切削硬度范围不同的材料，其最佳切削性能所对应的硬度并不是一成不变的。不要太硬，太硬崩刀，不要太软，太软粘刀。五渗碳渗碳是将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化《金属材料学》SDUST-CECIL学热处理工艺。目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性.根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为固体渗碳法、液体渗碳法及气体渗碳法三种。（1）固体渗碳法常用的固体渗碳温度为900-930摄氏度。因为据铁碳状态图，只有在奥氏体区域，铁中碳的浓度才可能在很大范围内变动，碳的扩散才能在单相的奥氏体中进行。900-930摄氏度这个温度恰好较渗碳钢的Ac3点稍高，保证了上述条件的实现。（2）液体渗碳法液体渗碳是在能够析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。其优点是加热速度快，加热均匀，便于渗碳后直接淬火；缺点是多数盐浴有毒。液体渗碳的温度一般为920-940摄氏度，其考虑原则和固体渗碳相同。（3）气体渗碳法气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法，可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内汽化