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      鋼管加工之金屬材料熱處理工程師必備的熱處理基礎知識(3)

      材料熱處理工程師必備的熱處理基礎知識(3)


      今天分享一下見習材料熱處理工程師的考試題,這些題是作為一名合格的熱處理工程師必須具備的基礎知識,希望搞熱處理的朋友抽空看一下,也行對大家有幫助,新入門的更要看了,當然也可以作為企業員工培訓使用。

      因內容較多,咱們分為4次分享。


      61、貝氏體等溫淬火

      鋼材或鋼件加熱奧氏體化,隨之快冷到貝氏體轉變溫度區域(260~400℃)等溫保持,使奧氏體轉變為貝氏體的淬火工藝。有時也稱等溫淬火。該工藝可用于要求變形小,韌性高的合金鋼工件。

      62、已知GCr15鋼精密軸承的加工工藝路線為:下料、鍛造、超細化處理、機加工、淬火、冷處理、回火、穩定化處理。簡述其中超細化處理,淬火,冷處理,回火和穩定化處理等主要熱處理工藝參數(加熱溫度和冷卻方法)和采用該工藝的目的。

      預備熱處理:1050℃×20~30min,高溫固溶后再320~340℃×2h等溫再升溫至735~740℃×3h爐冷至600℃出爐空冷,有利于提高淬火后獲得細小針狀的馬氏體組織,并可提高沖擊韌度,耐磨性和疲勞強度。

      淬火:835~850℃×45~60min在保護氣氛下加熱,在150~170℃的10號機油中冷卻5~10min后,再在30~60℃油中冷卻。

      冷處理:清洗后在-40~-70℃×1~1.5h深冷處理。

      回火:160~200℃×3~4h回火。

      穩定化處理:粗磨后進行140~180℃×4~12h,精磨后120~160℃×6~24h。

      63、何謂實際晶粒度?從熱處理生產實際出發,宜選用什么晶粒鋼?

      實際晶粒度:指在某一實際熱處理加熱條件下,所得到的晶粒大小。

      從熱處理生產角度看,為了獲得細小的奧氏體晶粒,宜選用本質細晶粒鋼。這樣,其晶粒長大傾向小,淬火溫度范圍寬,生產上容易掌握。

      64、碳氮共滲時出現的黑色組織是什么?如何避免?

      黑色組織是指碳氮共滲表層中出現的黑點,黑帶和黑網。

      為了防止黑色住址的出現,滲層中氮含量不宜過高,一般超過Wn0.5%就易出現點狀黑色組織,滲層中氮含量也不宜過低,否則易形成拖氏體網。因此氨的加入量要適中,氨氣量過高,爐氣露點降低,均會促使黑色組織的出現。

      為了抑制拖氏體網的出現,也可以適當提高淬火加熱溫度火采用冷卻能力較強的冷卻介質。黑色組織深度小雨0.02mm時也可采用噴丸強化補救。

      65、珠光體有哪幾類?他們的形態和性能特點是什么?

      珠光體的組織形態可以分為兩類:片狀珠光體和粒狀珠光體。

      (1)片狀珠光體

      是由相互交替排列的滲碳體和鐵素體所組成

      ①片狀珠光體的形成:首先在奧氏體的晶界上析出滲碳體的晶核,并呈片狀向境內長大,在其兩側出現了貧碳的奧氏體,促使鐵素體在奧氏體上于滲碳體的界面上形核長大,生成層片狀鐵素體,并使其附近的奧氏體富碳,又促使滲碳體沿奧氏體—鐵素體界面形核長大。如此反復交替,最終形成片狀珠光體,當珠光體的上述方式向橫向發展的同時,片狀鐵素體前沿的奧氏體中的碳向滲碳體的前沿擴散,促使轉廣體也沿著縱向長大,其結果形成珠光體領域。在一個奧氏體晶粒內,可形成若干個珠光體領域。

      ②珠光體的片間距:珠光體的片間距是指珠光體中相鄰兩片滲碳體間的平均距離,其大小主要取決于轉變溫度(過冷度)。轉變溫度越低,片層間距就越小,珠光體組織越細,滲碳體的彌散度也就越大。

      (2)粒狀珠光體

      粒狀珠光體的形成也是一個滲碳體和鐵素體交替析出的過程,其中,滲碳體的析出是以奧氏體晶粒內的未溶碳化物火富碳區的非自發晶核,由于各項成長近似一致,最終成為在鐵素體基體上均勻分布著粒狀(球狀)滲碳體的粒狀珠光體,一般認為奧氏體化溫度較低有利于形成粒狀珠光體。

      (3)珠光體的力學性能

      片狀珠光體的強度和硬度,隨片層間距的減小而提高;粒狀珠光體其強度硬度較低,塑性,韌性較好。

      66、為了使鋼在加熱過程中獲得細小的奧氏體晶粒度可采取哪些措施?

      1)加熱溫度和保溫時間:溫度越高、保溫時間越長,奧氏體晶粒長得越快、晶粒越粗大。奧氏體晶粒長大速度是隨著溫度的升高而呈指數關系增加;而在高溫下,保溫時間對晶粒長大的影響教低溫要大。

      2)加熱速度:加熱速度越大、過熱度越大,奧氏體實際形成溫度就越高,由于形核率與長大速度的比值增大。因而,可以獲得小的初始晶粒。這也說明,快速加熱能獲得細小的奧氏體晶粒。

      3)鋼的化學成分:隨著鋼種碳含量的增加,但又不足以形成未溶碳化物時,奧氏體晶粒容易長大而粗化。由此,共析碳鋼較過共析碳鋼對過熱更為敏感。

      4)鋼的原始組織:通常原始組織越細或原始組織為非平衡組織時,碳化物分解度越大,所得的奧氏體起始晶粒就越細小,但鋼的晶粒長大傾向增加,過熱敏感度增大。為此,原始組織極細的鋼,不宜用過高的加熱溫度和過長的保溫時間。

      67、第一、二類回火脆性是怎樣產生的?產生回火脆性后怎樣消除?

      第一類回火脆性(回火馬氏體脆性):碳鋼在200~400°C溫度范圍內回火,會出現室溫沖擊韌度下降現象,造成脆性此即第一類回火脆性或稱回火馬氏體脆性。對于合金鋼這類脆性發生的溫度范圍稍高,約在250~450度之間。

      如果零件回火后產生第一類回火脆性則需重新加熱淬火方可消除。

      第二類回火脆性(馬氏體高溫回火脆性或可逆回火脆性):某些合金鋼在450~650度溫度范圍內回火后緩慢冷卻通過上述溫度范圍時,會出現沖擊韌度降低的現象。這類已造成的脆性鋼如果再次重新加熱到預訂的回火溫度(稍高于造成脆化的溫度范圍)然后快速冷至室溫,脆性就會消失。為此,又稱可逆回火脆性。

      68、何謂鋼的淬透性?

      鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力即鋼被淬透的深度大小稱為淬透性。鋼的淬透性大小取決于鋼的臨界冷卻速度。C曲線位置越右,則臨界冷卻速度越小,淬透性就越大。

      69、影響淬透性的因素有哪些?

      1)含碳量的影響:隨著奧氏體含碳量增加,穩定性增加,使C曲線右移。

      2)合金元素的影響:合金元素(除Co以外)都能提高鋼的淬透性。

      3)奧氏體化溫度和保溫時間的影響:奧氏體化溫度越高、保溫時間越長、碳化物溶解越完全、奧氏體晶粒越粗大,境界總面積減少、形核減少,因而使C曲線右移推遲珠光體轉變?傊,加熱速度越快,保溫時間越短,奧氏體晶粒越小,成分越不均勻,未溶第二相越多,則等溫轉變速度越快,使C曲線左移。

      70、在熱處理時要控制奧氏體晶粒長大,試分析影響奧氏體晶粒長大因素及控制奧氏體晶粒長大的措施。

      1)加熱溫度和保溫時間:加熱溫度越高保溫時間越長,奧氏體晶粒越粗大,加熱溫度是主要的。

      2)加熱速度:加熱速度越快,過熱度越大,使形核率和長大速度的比值增大可細化晶粒,奧氏體實際晶粒度越高。

      3)鋼的化學成分:

      碳素鋼—共析鋼較過共析鋼易于過熱;

      合金鋼—鋼中加入如Ti、V、Vr、Nb、W、Mo、Cr等碳、氮化物形成元素,強烈阻礙奧氏體晶界的遷移,使晶粒細化。用Al脫氧的鋼晶粒細小,用Si脫氧的鋼晶粒較粗。

      4)原始組織:原始組織越細或為非平衡組織時,鋼的晶粒度長大傾向增大,晶粒易于粗化。

      71、鑄鐵通常分為幾大類?分別指出這些鑄鐵中碳的存在形式以及它們對鑄鐵性能的影響?

      1)灰鑄鐵:具有高的抗壓強度、優良的耐磨性和消振性,低的缺口敏感。

      2)球墨鑄鐵:既有灰鑄鐵有點,又具有中碳鋼的抗拉強度、彎曲疲勞強度及良好的塑形與韌性。

      3)可鍛鑄鐵:石墨呈團絮狀,對基體的切割作用小,故強度、塑性及韌性均比灰鑄鐵高,尤其是珠光體可鍛鑄鐵可與鑄鋼媲美,但不能鍛造。

      4)蠕墨鑄鐵:蠕墨鑄鐵其抗拉強度、塑性、疲勞強度等均優于灰鑄鐵,而接近鐵素體基體的球鐵合金鑄鐵。此外,它的熱導性、鑄造性、可切削加工性均優于球鐵,與灰鑄鐵相近。

      72、舉例并簡要說明提高模具壽命可采用哪些有效的熱處理工藝方法,請舉例說明五種以上。

      1)5CrMnMo鋼熱鍛模復合滲處理工藝:利用C、N共滲在850-900℃高溫淬火,再經高溫500℃回火后,在保持鋼的耐熱性、耐磨性及一定硬度前提下,再進行540℃×4h氣體氮碳共滲。

      2)5CrNiMo鋼熱鍛模強韌化和表面復合滲工藝:950℃淬油,預淬至180-260℃后280℃等溫,450℃回火。

      3)45Cr2NiMoVSi鋼錘鍛模強韌化熱處理工藝:模具500℃入爐,650℃×2.5h,850℃×2h預熱,970℃×5.5h加熱,預冷至780℃油冷至200℃出油空冷;290℃×4h預熱,635℃×10h回火;640℃×8h第二次回火。

      4)5Cr2NiMoVSi鋼壓力機模塊和錘鍛模鑲塊的強韌化熱處理工藝:加熱1150-1200℃,始鍛1150℃,終鍛850℃,鍛后堆冷。

      5)3Cr2W8V鋼壓鑄模氣體氮碳共滲處理:經氣體氮碳共滲處理,580℃×4.5h,50%甲醇加50%氨,油冷。

      73、已知GCr15鋼精密軸承的加工工藝路線為:下料—鍛造—超細化處理—機加工—淬火—冷處理—穩定化處理。簡述其中超細化處理,淬火,冷處理,回火和穩定化處理等主要熱處理工藝參數(加熱溫度和冷卻方法)和采用該工藝的目的。

      1)超細化熱處理工藝:1050℃×20~30min高溫加熱,250~350℃×2h鹽槽等溫,690~720℃×3h隨爐冷至500℃出爐空冷。

      2)淬火:835~850℃×45~60min在保護氣氛下加熱,150~170℃的油中冷卻5~10min,再在30—60℃油中冷卻。

      3)冷處理:清洗后在-40—-70℃×1~1.5h深冷處理。

      4)穩定化熱處理:粗磨后進行140~180℃×4~12h;精磨后120~160℃×6~24h。

      74、為什么加工機床齒輪的材料通常選用45鋼等,而汽車齒輪的材料為20CrMnTi等。請分別制定其加工工藝路線及采用熱處理工藝的目的。

      (1)機床齒輪工作平穩無強烈沖擊,負荷不大,轉速中等,對齒輪心部強度和韌性的要求不高,一般選用40或45鋼制造。汽車、拖拉機齒輪的工作條件比機床齒輪惡劣,受力較大,超載與啟動、制動和變速時受沖擊頻繁,對耐磨性、彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、心部強度和韌性等性能的要求均比較高,用中碳鋼或中碳低合金經高頻感應加熱表面淬火已不能保證使用性能。

      (2)機床齒輪加工工藝路線:下料—鍛造—正火—調質—半精加工—高頻感應加熱表面淬火+低溫回火—精磨—成品。正火可使組織均勻化,消除鍛造應力,調整硬度改善切削加工性。調質處理可使齒輪具有較高的綜合力學性能,提高齒心強度和韌性使齒輪能承受較大彎曲應力和沖擊載荷,并減小淬火變形;高頻感應加熱表面淬火可提高齒輪表面硬度和耐磨性,提高齒面接觸疲勞;低溫回火是在不降低表面硬度的情況下消除淬火應力。防止產生磨削裂紋和提高齒輪抗沖擊能力。

      (3)汽車齒輪的加工工藝路線:下料—鍛造—正火—機加工—滲碳、淬火+低溫回火—噴丸—磨加工—成品。正火處理可使組織均勻,調整硬度改善切削加工性;滲碳是提高齒面碳的質量分數(0.8%-1.05%);淬火可提高齒面硬度并獲得一定淬硬層深度(2.8-1.3mm),提高齒面耐磨性和接觸疲勞強度;低溫回火的作用是消除淬火應力,防止磨削裂紋,提高沖擊抗力;噴丸處理可以提高齒面硬度約1—3HRC,增加表面殘余壓應力,從而提高接觸疲勞強度。

      75、回火脆性的類型及解決辦法。

      回火脆性:淬火鋼在回火時,隨著回火溫度的升高,在某一回火溫度范圍內使鋼的沖擊韌性明顯下降,脆性明顯增大的現象。分第一類和第二類。

      第一類:淬火鋼在250~400℃回火出現的不可逆回火脆;第二類:450~650℃可逆。

      辦法:第一類產生不可消除,可以加入si,使脆性轉變溫度升高到300以上,然后在250回火;第二類:在脆性溫度短時間回火,快冷不產生,慢冷產生。重新加熱在脆性溫度短時間回火,快冷可消除。

      76、冷作模具鋼的微細化熱處理目的?Cr12MoV鋼的循環超細化處理工藝?

      目的:微細化熱處理包括鋼種基體組織的細化和碳化物的細化。組織細化可提高鋼的強韌性,碳化物細化有利于增強強韌性和耐磨性。

      工藝:1150℃加熱淬火+650℃回火+1000℃加熱油淬+650℃回火+1030℃加熱油淬170℃等溫30min空冷+170℃回火。

      77、淬火態鋼中常見馬氏體有幾種?亞結構?性能特點?形成條件?

      板條和片狀。板條亞結構為位錯,性能:強度、硬度高,塑性、韌性好;形成條件低碳鋼、200℃以上溫度.片狀中高碳200℃以下,亞結構為孿晶,性能:硬度高,脆性大。

      78、鑄錠中的主要缺陷有哪些?

      1)縮孔、縮松氣孔及夾雜物等

      2)偏析:宏觀偏析(正常偏析、反偏析、比重偏析);顯微偏析

      79、制造鑄造鋁合金的固溶處理工藝應遵循哪些原則?

      1)淬火溫度:一般比最大溶解度溫度略低一些。

      2)淬火加熱:為防止鑄件過熱與變形,最好采用350℃以下的低溫入爐,然后隨爐緩慢加熱到淬火溫度。

      3)保溫時間:保溫時間較長,一般為3~20h。

      4)冷卻方式:一般在熱水中冷卻。

      80、試說明不同鋁合金強化的手段?對ZL104汽油機采用哪種熱處理提高強度?

      形變鋁合金強化:冷變形強化(加工硬化)、熱處理強化(固溶+時效強化)、鑄造鋁合金強化:變質處理(細化組織),固溶+時效。

      ZL104鋁合金采用(535±5)℃×3h固溶處理,(175±5)℃×9h。該工藝是建立在砂型澆鑄的基礎上,時效時間較長。采用鈉變質和金屬型低壓澆鑄,ZL104鋁合金175℃×5h時效時,在基體中形成GP區,強化作業顯著。

      81、為控制金屬結晶時的晶粒大小,工業生產中通常采用什么方法來細化晶粒?

      1)增加環境冷卻能力。

      2)化學變質法。

      3)增加液體流動。

      82、為改善切削加工性能,15Cr,20Cr2Ni4,40Cr,5CrMnMo,GCr15,W18Cr4V鋼應進行何種熱處理?

      15Cr:正火;

      20Cr2Ni4:正火+回火;

      40Cr:調質;

      5CrMnMo:退火;

      GCr15:球化退火;

      W18Cr4V:球化退火。

      83、試分析比較在正常淬火條件下20、45、40Cr、T8、65等鋼的淬透性和淬硬性高低。

      淬透性由高到低:40Cr、T8、65、45、20;

      淬硬性由高到低:T8、65、45、40Cr、20。

      84、能否用W18Cr4V鋼制造冷沖模,為什么?

      可以用來做模具,但一般用在要求高強度高耐磨性少沖擊的模具中,但由于它的韌性較差,材質特性脆,價格貴,所以不建議用作冷沖模。

      85、45鋼經調質處理后要求硬度為217HB~255HB,但熱處理后發現硬度偏高,問能否依靠減慢回火時的冷卻速度使其硬度降低?若熱處理后硬度偏低,能否靠降低回火時的溫度,使其硬度提高?說明其原因。

      1)不可以,需要調整回火溫度;

      2)不可以,需要重新淬火后降低回火溫度。

      86、中型拖拉機發動機曲軸要求具有較高的強度及較好的韌性,曲軸軸頸要求耐磨性好(50HRC~55 HRC)。(1)選擇材料并寫出鋼號;(2)制定加工制造的簡明工藝路線;(3)說明使用狀態下曲軸的組織和曲軸軸頸表面的組織。

      合金滲碳鋼:20CrMnMo、20CrMnTi、20MnVB

      工藝路線:下料-鍛造-正火-機械加工-滲碳、淬火+低溫回火-噴丸-磨加工-成品

      心部組織:細片狀珠光體;表面組織:回火馬氏體

      87、使用硝鹽浴爐時,需要注意哪些安全措施?

      必須注意防爆等安全措施。在硝鹽浴爐中,任何局部溫度超過595℃時,都可能著火或爆炸,使用溫度應嚴格控制在550℃以下。硝鹽混合物是氧化型的,不應與容易被氧化的材料混合。不應使用微細的碳化材料作硝鹽的覆蓋物,也必須避免滲碳爐出料端所聚集的貪黑對硝鹽浴爐的污染。在處理鎂合金輕金屬時,鹽浴最高溫度有一定規定。

      88、在制定熱處理工藝時以下幾種形狀的工件,如何計算加熱的有效厚度。

      1)圓棒形狀:以直徑計算;

      2)扁平工件:以厚度計算;

      3)實心圓錐體:按大端的1/3高度處的直徑計算;

      4)階梯軸或截面突變的工件:按較大直徑或較大截面計算。

      89、制定鑄造鋁合金的固溶處理工藝應遵循哪些原則?

      (1)淬火溫度的選擇:淬火溫度一般比最大溶解度溫度略低一些,以免過燒或產生裂紋。

      (2)淬火加熱方式:為了防止鑄件過熱與變形,通常在空氣循環爐內進行,為防止變形,最好采用350度以下低溫入爐,然后隨爐緩慢加熱到淬火溫度。

      (3)保溫時間:鑄鋁合金晶粒粗大,過剩相的溶解困難,保溫時間要長。一般為3-20h,保溫時間與工件的厚度關系不大。

      (4)冷卻方式:因鑄件形狀復雜,內部缺陷較多,強度與塑性降低,冷速過快將會使鑄件產生嚴重變形,因此淬火后應在熱水中冷卻。

      90、什么是馬氏體相變塑性現象?何謂“TRIR”鋼及它的性能特點是什么?

      金屬及合金在相變過程中,塑性增加,往往低于母相屈服極限的條件下,即發生了塑性變形,稱之為相變塑性。

      利用馬氏體相變塑性設計出幾種Ma高于室溫而Ms低于室溫的鋼,他們在常溫下形變時,會誘發形成M,M轉變反過來又誘發塑性提高,這種鋼兼有很高的強度和塑形,故稱為相變誘發塑性(TRIR)鋼。

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