钢铁冶金质量对热处理性能的影响.pdf

■ 钢 铁 冶金 质量 对 热 处 理 性 能 的影 响 Th e I n f l u e n c e o f Me t a l l u r g i c a l Qu a l i t y t o P r o p e r t i e s o f He a t Tr e a t me n t f o r S t e e l I r o n 山西风 雷机械制 造有 限责任公 司 0 4 3 0 0 9 孙 晓 明 马建平 李桂 变 张利 民 【 摘 要 】金 属 的 内部 组 织 结构 和 组 织状 态是 决定金 属 材料 性 能的 重要 因素 ， 着 重从 钢材 化 学成 分波动 ， S、 P杂质含量 ， 成分偏析 ， 以及不 同熔炼方式和脱氧方法 4个方面论述 了钢铁冶金质 量 对 热 处理 性 能 的影 响 。 关 键词 偏 析 晶粒 度 冶 金 质量 Ke y wor d s s e g r e g a t i o n， g r a i n f i n e n e s s， me t a l l u r g i c a l q u a l i t y 采用 工频感 应 加热 对石 油钻具 所用 材料 为 4 1 4 5 H钢 进行热处理 ， 分析 了钢材冶金质量对热处 理 性 能 的影 响 。 钢 中化 学成分 波动 的作 用及影 响 为了提高钢材 的机 械性能 ， 改善钢材的使用性 能和工艺性 能 ， 一般要 向碳素钢 中加入一些合金元 素 ， 这些合金元素对钢 的热处理性能起到一定的调 节 作用。合 金钢 中几 种主加元 素 的作用 及影 响见 表 1 。 表 1 合金钢 中几种主加 元素的作 用及影响 M n S i Ni Cr M O 淬透性 提高 次 稍高 次于 Mn、 于 Mo、 Cr Cr 、 Mo 形成碳化 小 促进 不形成 物倾 向 石墨化 细化 晶粒促 进晶粒 小或 小 长大 无作 用 强化 大 最大 中等 铁索体 回火 提高很小中等 ， 在提 高很小 稳定性 2 5 0 ℃以上 提高很大 硬度 提高 提高 提高 高温 强度 提高 稍提 高 稍提高 提 高 中等 次 于 W 、 M 0 ， J 、 中等 提 高 提 高 大大提高 比Cr 大 中等 ， J 、 强 ， 有二次 硬化作用 提高 大大提高 但是它们各单元合 金在钢中的作用并不是独立 存在 ， 而是相互促进 ， 彼此制约 ， 并与铁、 碳共同改变 钢 的内部组织结构 ， 因此这些合金元素 ， 以及碳 含量 的成分波动范围的合理搭配直接影响到钢的热处理 性能 。以 4 1 4 5 H钢钻具为例 ， 此钢的的化学成分波 动范围大致可分为 3 类 ， 见表 2 。 其 中第 1类经工频 调质处理后性能较差 ， 第 2类机械性能较好 ， 一般 d r ≥9 9 0 MP a ， 且 a k V ≥8 0 J ／ c m ， 第 2类性能居 中。 具体 机械性能情况见表 2 ， 从表 中可以看 出， 对于 4 1 4 5 H 钢最佳化学成分波动范围应为第 3类 。 36 表 2 AI S I 4 1 4 5 H 钢化学成 分波动对 机械性能影 响 第 1类 第 2 类 第 3类 AI S I 标准 C／ Mn ／ S i ／ Mo／ Cr ／ S 、 P／ 0 Cu ／ a b ／ MP a 。／ MP a ak ／ J c m一 2 9 2 O～ 9 8 0 7 5 8～ 7 9 0 5 0～ 6 0 ．4 4～ ．7 5～ ．2 4～ ．1 9～ ．7 8～ ．0l ～ 0 ． 9 7 O ～ 9 9 0 7 8 O ～ 8 80 6 O～ 7 2 0 ． 4 6 ～ 0 ． 4 8 O ． 9 5 ～ 1 ．1 0 O ． 2 4 ～ 0 ．2 6 O ．1 9 ～ 0 ．2 1 O ． 8 5 ～ 1 ．1 0 0 ． 0 0 5～ 0 ． O1 8 O ． 1 0 ～ 0 ．1 1 9 9 O ～ 1 1 O O 9 2 0 ～ 1 0 0 0 ≥ 7 8 4 2 ～ 0 ． 4 8 7 5 ～ 1 ． 2 0 l 5 ～ 0 ． 3 O l 5 ～ 0 ． 2 5 7 5 ～ 1 ． 2 O ≤ 0 ． 0 3 5 ≥ 9 6 5 ≥ 7 5 8 ≥ 5 4 注 表中机 械性能 以 5 ” ～ 7 ” 钻铤 为例 不 含 7 。 S、 P杂质含 量 的影 响 S 、 P 2种元 素是 在炼钢 时 由矿石 和燃料 带入 的， 它们在钢 中存在 ， 会使钢的塑性、 韧性 降低 。 据统 计 ， 对于钻具用 4 1 4 5 H钢 ， 当 S ≥0 ． 0 2 5 时 ， 在淬火 加热时容易出现加热裂纹 ， 即“ 热脆” 较严重。 当 P ≥ 0 ． 0 2 7 时 ， 经高温 回火后易 出现高温 回火脆性 ， 即 冲击韧性 急剧下 降， 例如 ， 一般情况 下 ， AI S I 4 1 4 5 H 钻 具 用 钢 的标 准 要 求 为 a ≥ 5 4 J ／ c m。 ， 而 当 P≥ 0 ． 0 2 7 时， 经调质处理后冲击韧性会 随含磷量的增 加而逐渐下降 ， 当含磷量超 出 0 ． 0 3 2 时， a k v 值会下 降至 3 0 J ／ c m 左右 ， 见图 1 。 P 图 1 P含量对 口 值 的影响 新技术新工艺热加工技术2 0 0 3年 第 1期 维普资讯 ● 因此 ， 为保证产品的使用性能 ， 冶炼钢材时 S 、 P 含量应分别控制在 0 ． 0 2 5 ％、 0 ． 0 2 7 以下。 成分偏 析对调 质处理后 组织及 性能 的影响 钢 中若存在成分偏 析 ， 对热处理 的影响主要表 现 在 以下 3 个 方 面 1 ．如果钢 中抑制晶粒长大 的夹 杂物 分布不均 匀 ， 在 加 热 时 会 形 成 晶 粒 度 的显 著 差 别 而 造 成 “ 混 晶 ” 现象 。 2 ．如 果 钢 中碳 化 物 分 布不 均 ， 热 处 理 后 的性 能 及组织都会受到影响 ， 产生严重的碳化偏析 ， 还会造 成淬火变形和开裂 。 3 ．如果钢 中存 在氧化物 、 硫化 物、 硅酸盐 及氮 化物等带状偏析 ， 就会使钢 出现各 向异性 ， 在热处理 过 程 中发 生 不均 匀 变形 。 在生产中， 当第 2 类情况出现时 ， 由于碳化物的 偏析 ， 使热处理后 组织 不均匀 ， 机械性 能出现差 异 即 在同一支钻具的同一端面取 2个试 样作性 能检 测 ， 性 能 值 差 别 较 大 ， 例 如 值 为 9 9 0 MP a 、 9 2 0 MP a或 a k 值 为 8 0 J ／ c m 、 6 0 J ／ c m 。 因此 ， 成分偏 析也是影响热处理性 能的一个 主 要因素。 熔炼 方式和脱 氧方法 的影响 钢在加热后形成的奥 氏体组织 ， 特别是奥 氏体 晶粒度大小对冷却转变后的钢 的组织和性能有着重 要影 响。一般来说 ， 奥氏体晶粒越细 ， 钢热处理后的 强度越高 ， 塑性越好 ， 冲击韧性越高。而奥氏体晶粒 的长大是 自发的， 因为减少晶界可以降低表面能 。 在 钢 中， 只要有难熔的化合物分布在奥氏体晶界上 ， 阻 碍其晶粒长大 ， 就会使奥氏体 晶粒细化 ， 而钢 中化合 物 的类型、 数量 、 分布状态又与冶炼钢材的方法及脱 氧方式有关 。 在实际生产 中我们也发现 ， 同一种成分 的钢 ， 由不同炼钢厂来供货 ， 经合理的工频调质处理 后 ， 所 得 的 晶粒 度 及机 械 性 能并 不 相 同 ， 见 表 3 。 表 3 不 同厂家原材料 对钻 具产品热处 理晶粒 度及性能影 响 结 语 钢材的冶金质量 直接影 响热处理性 能， 要提高 其综合性能必须满足如下条件 1 ．对 于 AI S I 4 1 4 5 H 钻具 用钢 的化学 成份 中， 主要元素 C、 Mn 、 S i 、 C r 、 Mo量控制在中、 上限 。 2 ．冶炼 钢 材 时应 减少 其 有 害元 素 S 、 P含 量 。 3 ．避免钢 中出现成分偏析现象 。 参考 文献 1 ． R． F． Ke r n ．S o u r c e Bo o k o n He a t Tr e a t me n t ， S e l e c t i n g S t e e l s o f He a t Tr e a t e d Pa r t s 。 1 9 6 8 2 ．岸本 浩． 钢 铁 热处 理 现 场 指 针． 新 日本 铸 锻 造 协 会 ， 1 97 2 3 ．机械工程 手册热处 理篇． 机 械工业 出版社 ， 1 9 7 9 责 任 编辑黄 进 平 新技术新 工艺 杂 志社 2 0 0 3年上半 年活动计 划 1 ．2 0 0 3年 4月 1 4日至 7日 由 新技术新工艺 杂志社在京组织召开“ 国防先进制造技术交流会” ， 并组织与会代表参观“ 第八届 国际机床展 ” 。 2 ． 2 0 0 3年 月 4月 1 6日至 2 2日 参加机床工具协会在北京 国际展览 中心举办的“ 第八届 国际机床展 ” 。 3 ． 2 0 0 3年 5月 1 4日至 1 6日 参加中国腐蚀 与防护学会 、 中国表面工程学会在上海 国际展览 中心举办的“ 第九届 中国国际表面工 程与防腐技术及设备展览会 ” 。 4 ． 2 0 0 3年 6月 1 7日至 2 0日 由 新技术新技术 杂志社在青岛组织召开“ 国防工业热加工技术交流会” ， 并组织会议代 表到企业 参观。 2 0 0 3年下半年还将参加 2次较大规模行业展会 。 奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈奈 新技术新工艺 热加工技术2 0 0 3年 第 1期 ． 7． 盎 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ．- 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ．- 譬 ． - 譬 ．- 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ．- 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ．- 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． - 譬 ． ■ 、 _ ， 事睾睾睾- 睾睾- - 睾- - - - - - - - - - - - - 维普资讯