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经验公式确定钢的热处理温度

钢的热处理工艺设计经验公式

------------根据经验公式确定热处理的保温温度------------

1钢的热处理

1.1正火加热时间

加热时间t=KD (1)式中t为加热时间(s);

D使工件有效厚度(mm);

K是加热时间系数(s/mm)。

K值的经验数据见表1。

表1 K值的经验数据

经验公式确定钢的热处理温度

1.2 正火加热温度

根据钢的相变临界点选择正火加热温度

+(100~150℃)(2)低碳钢:T=Ac

3

中碳钢:T=Ac

+(50~100℃)(3)

3

+(30~50℃)(4)高碳钢:T=A

Cm

亚共析钢:T=Ac

+(30~80℃)(5)

3

共析钢及过共析钢:T=A

+(30~50℃)(6)

Cm

1.3淬火加热时间

为了估算方便起见,计算淬火加热时间多采用下列经验公式:

t=a· K ·D︱ (不经预热) (7)t=(a+b)· K ·D︱(经一次预热) (8)t=(a+b+c)· K ·D︱(经二次预热) (9)式中t—加热时间(min);

a—到达淬火温度的加热系数(min/mm);

b—到达预热温度的加热系数(min/mm);

c—到达二次预热温度的加热系数(min/mm);

K—装炉修正系数;

D︱--工件的有效厚度(mm)。

在一般的加热条件下,采用箱式炉进行加热时,碳素钢及合金钢a多采用1~1.5min/mm;b为1.5~2min/mm(高速钢及合金钢一次预热a=0.5~0.3;b=2.5~

3.6;二次预热a=0.5~0.3;b=1.5~2.5;c=0.8~1.1),若在箱式炉中进行快速加

100~150℃时,系数a 约为1.5~20秒

/毫米,系数b 不用另加。若用盐浴加热,则所需时间,应较箱式炉中加热时间少五分之一(经预热)至三分之一(不经预热)左右。工件装炉修正系数K 的经验值如表2:

表2 工件装炉修正系数K

经验公式确定钢的热处理温度

1.4 淬火加热温度

按常规工艺,

亚共析钢的淬火加热温度为Ac 3+(30~50℃); (10)

共析和过共析钢为Ac 1+(30~50℃); (11) 合金钢的淬火加热温度常选用Ac 1

(或Ac 3)+(50~100℃) (12) 1.5 回火加热时间

对于中温或高温回火的工件,回火时间是指均匀透烧所用的时间,可按下列经验公式计算:

t=aD+b (13)

式中t —回火保温时间(min );

D —工件有效尺寸;(mm ); a —加热系数(min/mm );

b —附加时间,一般为10~20分钟。

盐浴的加热系数为0.5~0.8min/mm ;铅浴的加热系数为0.3~0.5min/mm ;井式回火电炉(RJJ 系列回火电炉)加热系数为1.0~1.5min/mm ;箱式电炉加热系数为2~2.5mim/mm 。 1.6 回火加热温度

钢的回火定量关系式很早就有人研究,其经验公式为: 钢的回火温度的估算,

T=200+k(60-x) (14)

式中: x —回火后硬度值,HRC ;

k —待定系数,对于45钢,x>30,k =11;x ≤30,k=12。

大量试验表明,当钢的回火参数P一定时,回火所达到的工艺效果——硬度值或力学性能相同。因此,按传统经验式确定回火参数仅在标准态(回火1h)时方可使用,实际生产应用受到限制.

为了解决上述问题,将有关因素均定量表达,文献中导出如下回火公式:(1)在200~40O℃范围:

HV=640-(T-20)×1.05+(lgt-1.28)×366+( T-200)(lgt-1.28)×0.036 (15)(2)在400~600℃范围:

HV=17.2×103/T-(1gt一1.28)×29.4-(T-400)(Igt-1.28)×0.023 (16)式中T--回火温度℃

t--回火时间,min

对比可以看出影响回火效果的主要因素是T和t能较好,较真实地反映出实际工艺参数的影响,定量地表达了不同温度区间回火硬度的变化特征。

2钢的热处理相变点及再结晶温度的计算

2.1 A C1和A C3温度的经验公式

A C1和A

C3

分别表示在加热过程中组织开始转变为奥氏体和全部转变为奥氏

体时的温度,它们对钢的热处理工艺的制定以及新材料和新工艺的设计都具有重

要意义。因此,对A

C1和A

C3

的预测具有较大的理论和应用价值。Andrews搜集了

英,德,法,美等国家的资料通过对大量试验数据进行回归分析,获得了根据钢

的化学成分计算A

C1和A

C3

温度的经验公式:

A

C3

(℃)=910 - 203C1/ 2- 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo +13.1W (17)

A

C1

(℃)=723–10.7Mn –13.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 290As + 6.38W (18) 式中的元素符号代表其含量 (质量分数,wt%,下同) ,适用钢的成分范围为:

≤0.6C, ≤4.9Mn, ≤5Cr , ≤5Ni , ≤5.4Mo。公式(1)~(2)表达了钢的A

C1

和A

C3

与化学成分之间的关系,其优点是形式简明、直观,便于应用。

2.2钢奥氏体化后冷却时,奥氏体开始转变为马氏体的温度Ms(℃)

Ms=550-350C-40Mn-35V-20Cr-17Ni-Cu-10Mo-5W+15Co+30Al+0Si (19) Ms=561-474C-33Mn-17Cr-17Ni-21Mo (20) 式(19),(20)适用于中低碳钢。

Ms=539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo (21) 式(21)适用于0.11%≤C≤0.60%,0.04%≤Mn ≤4.8%,0.11%≤Si ≤1.89% ,

0≤Ni≤5.04%,0≤Cr≤4.61% ,0≤Mo≤5.4%。

注意 ,上述 Ms点的计算公式主要用于亚共析钢;对于过共析钢,由于淬火加热温度对奥氏体的成分影响较大,故根据钢的成分来计算Ms点是没有意义的。

Ms=41.7(14.6-Cr)+0.6(6.9-Ni)+33(1.33-Mn)+28(0.47-S)

+1677(0.068-C-Ni)-17.8 (22) 式(22)适用于SUS类不锈钢(日本)。

2.3 奥氏体转变为马氏体(M)的终了温度Mf(℃)

Mf点根据不同的马氏体转变量的计算公式:

Mf=(100%M)=Ms-(215±15) (23) Mf=(90%M)=Ms-(103±12) (24) Mf=(50%M)=Ms-(47±9) (25) Mf=(10%M)=Ms-(10±3) (26) 2.4贝氏体组织开始转变的温Bs(℃)

Bs=830-270C-90Mn-37Ni-70Cr-83Mo (27) 2.5 钢的再结晶温度TR(K)

TR=0.4Tm (28) 式中: Tm—钢的熔点温度,K。

3钢在空气炉中加热时间(考虑节能)的计算

3.1按工件形状确定加热时间t(min)

t = kiw (29) 式中:ki—形状系数,k圆柱=1/6~1/9,k板=1/3~1/6,

k薄壁管=(δ/D<1/4)=1/4~1/5,k厚壁管(δ/D>1/ 4) = 1/2~1/4 ;

w—形状特征尺寸,直径、板厚或壁厚,mm。

3.2按实际装炉量确定加热时间t(min)

t=(0.6~0.8)∑Gw (30) 式中:∑Gw—装炉工件总重量,kg。

式(30)适用于45kW箱式电炉加热。

4钢的临界冷却速度的计算

4.1钢在油中淬火时心部得到马氏体的临界冷却速度νM(℃/h)

logνM=9.81-4.62C+1.10Mn+0.54Ni+0.50Cr+0.60Mo+0.00183PA (31) 式中: PA—奥氏体化参数(加热时间×加热温度,此处加热时间为1h)。

4.2钢在油中淬火时心部得到贝氏体的临界冷却速度νB(℃/h)

logνB=10.17-3.80C+1.07Mn+0.70Ni+0.57Cr+1.58Mo+0.0032PA (32) 4.3钢在油中淬火时心部得到珠光体-铁素体混合物的临界冷却速度

νPF(℃/h)

logνPF=6.36-0.43C+0.49Mn+0.78Ni+0.26Cr+0.38Mo+0.0019PA (33)

4.4钢在油中淬火时心部得到50%马氏体+50%贝氏体的临界冷却速度

ν50MB(℃/h)

logν50MB=8.50-4.13C+0.86Mn+0.57Ni+0.41Cr+0.94Mo+0.0012PA (34) 式(31)~(34)适用条件:C≤0.50%,Mn≤1.75%,Ni≤3.0%,Cr≤2.25% ,

Mo≤1.0% ,Mn+Ni+Cr+Mo≤5.0%。

5钢的淬火冷却时间的计算

5.1钢预冷淬火时空气预冷时间ty(s)

ty=12+(3~4)D (35) 式中:D—淬火工件危险截面厚度,mm。

5.2钢Ms 点上分级冷却时间tf(s)

tf=30+5D (36)

6 钢的淬火硬度的计算

6.1 钢终端淬火试验时,距试样顶端4~40 mm范围内各点硬度H4~40 (HRC)

=88C 1/2-0.0135E2C1/2+19Cr1/2+6.3Ni 1/2+16Mn 1/2+35Mo 1/2

H

4~40

+5Si 1/2-0.82G-20E 1/2+2.11E-2 (37) 式中: E—到顶端距离,mm;

G—奥氏体晶粒度。

6.2钢的最高淬火硬度,即淬火钢获得90%马氏体时的硬度Hh(HRC)

Hh=30+50C (38) 6.3钢的临界淬火硬度,即淬火钢获得50%马氏体时的硬度Hl(HRC)

Hl=24+40C (39) 6.4 钢淬火组织为马氏体时的硬度HVM

HVM=127+949C+27Si+11Mn+8Ni+16Cr+21logνM (40) 6.5钢淬火组织为贝氏体时的硬度HVB

HVB=-323+185C+330Si+153Mn+65Ni+144Cr+191Mo

+logνB(89+54C-55Si-22Mn- 10Ni-20Cr-33Mo) (41) 6.6钢淬火组织为珠光体- 铁素体的硬度HVPF

HVPF=42+223C+53Si+30Mn+13Ni+7Cr+19Mo

+logνPF(10-19Si+4Ni+8Cr+130V) (42) 式(40)~(42)适用条件同式(31)~(33)。

7钢回火后硬度的计算

7.1钢淬火组织为马氏体时的回火硬度HVM

HVM=-74-434C-368Si+15Mn+37Ni+17Cr-335Mo-2235V

+(103/PB)(260+616C+321Si-21Mn-35Ni-11Cr+352Mo-2345V) (43) 式中: PB—回火参数(回火温度×回火时间,此处加热时间为1h)。

7.2钢淬火组织为贝氏体时的回火硬度HVB

HVB=262+162C-349Si-64Mn-6Ni-186Cr-485Mo-857+

(103/PB)(-149+43C+336Si+79Mn+16Ni+196Cr+498Mo+1094V) (44) 式(42) , (43) 适用条件:C≤0.83% ,Mn≤2.0%,Si≤1.0%,Cr≤2.0%,

Mo≤1.0%,Ni≤3.0%,V≤0.5%,Mn+Ni+Cr+Mo≤5.0%。7.3钢回火后硬度回归方程

HRC=75.5-0.094T+0.66CM (45) 式中: T—回火温度, ℃;

CM—钢的含碳量或碳当量,%;

CM=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (46) 7.4 45钢回火后硬度回归方程

HV=640-(T-200)1.05-(logt-1.28)36.6 +(T-200)(logt- 1.28)0.0036 (47) 20≤T≤400

HV=17.2×104/T-(logt-1.28)29.4 -(T-400)(logt-1.28)0.014 (48) 400≤T≤600

式中: t—回火时间,min。

8钢的回火温度的估算(适用于碳素钢)

T=200+k(60-x) (49) 式中: x—回火后硬度值,HRC;

k—待定系数,对于45钢,x>30,k=11;x≤30,k=12。

9钢的力学性能的换算

9.1切削性能

M=0.087HBt0.8D1.8 (50)T=0.195HBt0.8D1.8+0.0022HBD2 (51)M是扭矩,T是轴向推力,t是进给量,D为钻头直径,HB是布氏硬度。

9.2 抗拉强度 b(9.8×MPa)与布氏硬度HB

(1.1)普通碳钢及合金钢

σb≈1/3HB≈3.2HRC=2.1HS (52)

(1.2)铸铁

σb=(.030~0.40)HB (53) (1.3)灰口铸铁

σb=1/6(HB-40) (54) 9.3屈服极限σs(MPa)与抗拉强度σb(MPa)

(1.1) 退火状态结构钢

σs=(0.55~0.65)σb (55) (1.2) 调质状态结构钢

σs=(0.75~0.0.85)σb (56) 9.4对称弯曲疲劳极限σ-1(MPa)与抗拉强度σb(MPa)

(1.1)碳钢(奥金格公式)

σ-1=(0.49±0.13)σb,σb<1200MPa (57) (1.2)合金钢(茹科夫公式)

σ-1=0.35σb+12.2,σb>1200MPa (58) (1.3)铸铁(莫尔公式)

σ-1=0.35σb+2.0 (59) 9.5对称拉压疲劳极限σ-1p(MPa)与对称弯曲疲劳极限σ-1(MPa)

(1.1)普通钢

σ

-1p =0.85σ

-1

(60)

(1.2)铸铁

σ-1p=0.65σ-1 (61) 9.6剪切强度Γb(MPa)与抗拉强度σb(MPa)

(1.1)退火钢及碳钢

Γb=(0.50~0.60)σb,σb<700MPa (62) (1.2)中高强度钢

Γb=(0.60~0.65)σb,σb=800~1200MPa (63) (1.3)生铁

Γb=(0.80~0.10)σb (64) 9.7对称扭转疲劳极限Γ-1(MPa)与对称弯曲疲劳极限σ-1

(1.1)普通钢

Γ-1=0.55σ-1 (65) (1.2)铸铁

Γ-1=0.80σ-1 (66) 9.8解除疲劳极限σRH(MPa) 与布氏硬度(HB)(应力循环基数为107)

(1.1) σ

RH

=280(HB-25),HB>400 (67)

(1.2) σ

=290(HB-30),HB<400 (68)

RH

9.9 钢的硬度换算

(1.1)HRC≈HS-15 (69) (1.2)HV≈HB,HB<450 (70) (1.3)HS≈1/10HB+12 (71) (1.4)HB≈10HC,HB=200~600 (72)

10 由钢的化学成分估算力学性能

10.1求屈服比(屈服极限σs/抗拉强度σb)

(1)油夜淬火调质σs/σb(﹪)

σs/σb=55+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (73)

式中,金属元素重量百分数(﹪)适用范围:

Si≤1.8﹪,Mn≤1.1﹪,Cr≤1.8﹪,Mo≤0.5﹪,Ni≤5﹪,V≤0.25﹪。材

料适用直径在Ф150~200mmm。

(2)空气淬火调质钢σs/σb(﹪)

σs/σb=48+3Si+4Mn+8Cr+10Mo+3Ni+20V (74)

10.2 求抗拉强度σb(9.8×MPa )

(1)调质钢

σb=100C-100(C-0.40)/3+100Si/10+100Mo/4+30Mn+6Ni+2W+60V (75)

适用C≤0.9﹪,Si≤1.8﹪,Mn≤1.1﹪,Cr≤1.8﹪,Ni≤5﹪,V≤2﹪。

(2)普通正火及退火钢

σb=20+100C M (76)

(3)热轧钢

σb=27+56C M (77)

(4)锻钢

σb=27+50C M (78)

(5)铸铁

σb=27+48C M (79)

---钢的碳当量。

式中,C

M

C

=[1+0.5(C-0.20)]C+0.15Si+[0.125+0.25(C+0.20)Mn]

M

+[1.25-0.5(C-0.20)]P+0.20Cr+0.10Ni (80)

(6)压延状态及正火高张力钢

σb=3.5±(61C M+24.3) (81)

=C+1/5Mn+1/7Si+1/7Cu+1/2Mo+1/9Cr+1/2V+1/20Ni (82)

C

M

11 由钢的显微组织估算力学性能

11.1 空冷a-Fe 的力学性能 (1)抗拉强度

σb=300MPa (83) (2)延伸率

δ=40﹪ (84) (3)布氏硬度

HB=90 (85) 11.2 亚共析钢(退火状态)的力学性能 (1)抗拉强度(MPa)

σb=300(a-Fe ﹪)+1000(P ﹪)

=300(1-C/0.83)+1000(C/0.83) (86) 式中,a-Fe ﹪,P ﹪---分别表示亚共析钢中的a-Fe ,P 组织体积百分数。 (2)延伸率(﹪)

δ=40(1-C/0.83)+15(C/0.83) (87) (3)布氏硬度

HB=90(1-C/0.83)+280(C/0.83) (88) 11.3 空冷珠光体(0.83﹪C)的力学性能 (1)抗拉强度

σb=1000MPa (89) (2)延伸率

δ=15﹪ (90) (3)布氏硬度

HB=280 (91)

CCT 、TTT 相图的计算

孕育期公式为:

(1.3.1)

式中:G 为ASME 晶粒度:β为修正系数:D 为实际的扩散系数:△T 为过冷度系数,它是由实际的扩散机制所确定的实验指数:X 是转变量:T 是转变温度:

?

-??=

--X

X X q

G X X dX

T D T X 0

3/23/)1(22/)1()1(21

),(βτ

τ是孕育期。

对于马氏体:

(1.3.2)

对于铁素体:

(1.3.3)

式中:

(1.3.4)

(1.3.5)

对于珠光体:

(1.3.6)

(1.3.

7)

对于贝氏体:

(1.3.8

Mo

Cr Mn C Ms 211733474561----=??

?>+--≤+-=)4

.0%(0)4.0(150782)

4.0%(03209103C A C C A C A Si V Mo W Cr Mn Cu Ni A 18514751012140+++++---=Mo Cr Ni Si Mn C T BS 413415753558656------=I RT Mo

Cr RT T Ni Mo Mo Cr G P ?-++-?????+++=-))

/37000exp(52.001.0)/27500exp(1()

(2

)4(42.579.132/)1(βτMn Ni Cu V Mo W Cr Si A

1218145516820267231---++++-=I RT T Mo

Cr Ni Mn G F ?-??+++=-)

/23500exp()(24.247.6645.16.593

2/)1(βτI RT T Mo Cr C G B '?-???+++=--)

/27500exp()(210)198.31.1034.2(2

2/)1(4

βτ

(1.3.9)

(1.3.10)

上述式中:

(1.3.11)

(1.3.13)

(1.3.12

合金元素为重量百分比含量。

Mo

Cr Mn C Ms 211733474561----=Mo

Cr Mn C Ms 211733474561----=]

[

?

-?-++++='-X

X X X X Mo Cr Ni Mn C X I 0

3/23/)1(22)1()6.247.19.05.29.1(exp ?

-=-X

X X X X dX

I 0

3

/23/)1(2)1(