热处理课程综合设计
表4-3 螺栓性能要求与40Mn2B钢性能对比
性能要求 40Mn2B
4-4.热处理工艺设计
工艺路线：下料--热冲六角头--正火--冷勒六角头--初劈头--热处理--车外圆--劈头--平头倒角--磨中径--表面发蓝处理
表4-4 40Mn2B钢热处理后性能和组织
热处理方法 正火 力学性能 力学性能 力学性能 Ak/J 40～64 64～96 力学性能 HBS 163～220 210～250 组织 索氏体+铁素体 回火索氏体 σb/MPa 831 885
σs/MPa 734 735
δ( %) 10 12
ψ( %) 42 45
Ak/ J·cm- 2 48.8～55.7
55
σb/Mpa δ×100 700～800 750～850 15～20 20～25 调质 4-4-1 热处理的目的
改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
五个要素：加热介质、加热速率、加热温度、保温时间和冷却速率（如下图所示）。
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图4-2热处理工艺曲线示意图
保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。 冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
图4-3 加热和冷却速度对钢的临界温度的影响
4-4-2 预备热处理
主要目的：保证零件的切削加工性能，可依据其碳质量分数和合金元素的种类、数量不同选择预备热处理。合金元素质量分数低的调质钢，预备热处理一般采用正火或退火，细化锻造组织，改善切削性能。合金元素质量分数高的调质钢空冷后得到马氏体，硬度高，不利于切削，需在空冷后再进行650～700℃的高温回火，得到回火索氏体组织，使硬度降至200HBW左右。
调质钢预备热处理主要有以下几种热处理：预先热处理的调质件毛坯多半是锻件，也是铸件，在坯件原始组织中往往存在显微组织偏析，晶粒粗大和带状组织等缺陷，因
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此，为了改善调质钢的切削加工性及消除铸造、锻造等热加工不当而造成的不良组织和细化晶粒，防止最终热处理时变形或开裂，并为随后的调质处理做好组织准备，应预先进行退火或正火处理。
而含硼钢的预备热处理应采用正火+高温回火处理，因其在750℃左右慢冷易产生“硼脆”现象，应该避免采用退火处理。对已产生“硼脆”的钢可采用高温（>930℃）正火或淬火处理可以减轻或消除。
40Mn2B预备热处理：正火，正火后得到粒状珠光体组织，使硬度降至200HBW左右，并为随后的调质处理做好组织准备。
正火是将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，去除材料的内应力，降低材料的硬度，获得接近平衡状态的组织。
正火，是加热后，空冷（空气中冷却），适用于低碳钢。
正火目的：细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，减少成本、提高效率，采用正火处理。 4-4-3正火加热温度
钢的淬火加热温度与钢的含碳量有关，共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1+（30-50）℃；亚共析钢的加热温度为Ac3+（30-50）℃，且一般在空气炉中加热比在盐浴炉中加热高10-30℃，综合考虑淬火加热温度应在区间813-856℃，在此选用840℃。 4-4-4正火加热与保温时间
对于圆柱形工件的有效厚度，但高度大于直径时，可按直径为有效厚度进行计算，工件的毛坯直径为12mm，即工件的有效厚度为Ｄ＝12mm，，对于40Mn2B钢，τ＝1.8*12=21.6min，因而本实验选择22分钟的加热保温时间。
表4-5 40Mn2B钢热处理临界温度和正火
Ac1 Ar1 713 627
40Mn2B临界温度
Ac3 Ar3 776 704
Ms Mf —— ——
温度/℃ 820- 840℃ 冷却方式 空冷
正火 加热保温时间 22min
组织 珠光体+ 铁素体
4-4-5最终热处理
调质钢的最终热处理大多采用调质处理，也有采用化学热处理、表面淬火+回火的热处理。 40Mn2B最终热处理：淬火+回火，获得回火索氏体组织。
表4-6 40Mn2B钢淬火和回火
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淬火
温度/℃ 840-860
介质 油
回火
温度/℃ 520～550
介质 硝酸钾
表面硬度/HRC 50-56
淬火是将钢件加热到临界点Ac1 或Ac3 以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体组织转变为马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的为：
a. 提高钢的硬度和耐磨性； b. 提高钢的弹性极限； c. 提高钢的综合力学性能； d. 改善钢的特殊性能。
淬火的种类很多。根据淬火时奥氏体化的程度不同，可分为完全淬火和不完全淬火等；根据工件淬火的部位不同，可分为整体淬火、局部淬火和表面淬火；根据淬火冷却方式的不同，可分为单液淬火、双液淬火、分级淬火、表面淬火；根据淬火加热介质的不同，可分为盐浴淬火、高频淬火、火焰淬火等。 4-4-6淬火加热温度的确定
淬火加热温度主要是根据钢的相变临界点来确定。对于亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（30-50℃），含锰合金调质钢比一般加热温度低10~15℃，促使这些碳化物加热溶解到奥氏体中。若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体两相，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。比Ac3高30-50℃的目的是为了是工件心部在规定的加热时间内保证达到Ac3 点以上温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不至于粗大。对于过共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac1 +（30-50℃）。当淬火加热温度在Ac1 -- Ac3 之间时，加热状态为细小的奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳化物。这种组织不仅有高的强度、硬度和高的耐磨性，而且也有很高的韧性。如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。高30-50℃的目的是为了保证工件内部各部分均达到Ac1 点以上温度。
40Mn2B为亚共析钢，淬火加热温度宜取840-860℃。
表4-7 40Mn2B钢热处理和力学性能
钢号 热处理 力 学 性 能 (≥) - 7 -
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