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45鋼熱處理工藝 關(guān)于含碳量與開裂


摘要

在五金行業(yè)中，45鋼制構(gòu)件很多。該鋼是是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，可進(jìn)行各種熱處理，冷熱加工性能都不錯，機(jī)械性能較好，且價格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。多年來，這一鋼種雖然已累積有豐富的生產(chǎn)與應(yīng)用的經(jīng)驗，但在生產(chǎn)實(shí)際中，仍會出現(xiàn)許多使用不當(dāng)之處，結(jié)果沒有充分發(fā)揮該鋼的性能潛力，造成大量浪費(fèi)。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。45鋼淬火溫度在A3+(30～50)℃，在實(shí)際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間。

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45鋼的調(diào)質(zhì)淬火

調(diào)質(zhì)是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚恚淠康氖鞘构ぜ哂辛己玫木C合機(jī)械性能。為使調(diào)質(zhì)件得到好的綜合性能，一般含碳量控制在0.30~0.50%。 

調(diào)質(zhì)淬火時，要求工件整個截面淬透，使工件得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。小型工廠不可能每爐搞金相分析，一般只作硬度測試，這就是說，淬火后的硬度必須達(dá)到該材料的淬火硬度，回火后硬度按圖要求來檢查。

45鋼的調(diào)質(zhì)：

45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯，機(jī)械性能較好，且價格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。 

45號鋼的淬火溫度在820~840度左右，在實(shí)際操作中，一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間,一般為1min/mm,如果實(shí)際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時間。不然，可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時間過長，也會也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為，如裝爐量大，加熱保溫時間需延長1/5。 

因為45鋼淬透性低，故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液,45號鋼水淬容易有軟點(diǎn)的.。水溫要小于30°。工件入水后，應(yīng)該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因為當(dāng)工件冷卻到180℃左右時，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗操作，當(dāng)水中的工件抖動停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動不宜靜，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運(yùn)動。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。 

45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中。 

45鋼淬火后的回火，加熱溫度通常為200℃，硬度要求為HRC44~48。200℃回火金相為回火馬氏體.圖紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調(diào)整回火溫度，以保證硬度。關(guān)于回火保溫時間，視硬度要求和工件大小而定，我們認(rèn)為，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時間關(guān)系不大，但必須回透，一般工件回火保溫時間總在一小時以上。

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45鋼淬火后硬度不足的主要原因

      （1）45鋼加熱溫度偏低，或保溫時間不足。 

在此狀態(tài)下，組織中奧氏體的碳和合金元素含量不夠，甚至組織中還殘存著未轉(zhuǎn)變的珠光體或未溶鐵素體，導(dǎo)致45鋼淬火后硬度達(dá)不到。

（2）45鋼加熱溫度過高，或保溫時間過長，造成45鋼表面脫碳，導(dǎo)致硬度變低。 

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回火目的（淬火組織的問題）

a.消除淬火應(yīng)力，降低脆性 

b.穩(wěn)定工件尺寸，由于M，殘余A不穩(wěn)定 

c.獲得要求的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 四、回火工藝及其應(yīng)用

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回火工藝及其應(yīng)用

回火類型

回火溫度

組織

性能及應(yīng)用

組織形態(tài)

低溫回火

150～250

回火M(M’)

保持高硬度，降低脆性及殘余應(yīng)力，用于模具鋼，表面淬火及滲碳淬火件

過飽和a-Fe+e碳化物

中溫回火

350～500

回火屈氏體（T’）

硬度下降，韌性、彈性極限和屈服強(qiáng)度升高，用于彈性元件

保留馬氏體針形F+細(xì)粒Fe3C

高溫回火

500～650

回火索氏體（S’）

強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、良好綜合機(jī)械性能，優(yōu)于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。

多邊形F+

粒狀Fe3C

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鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變

a.馬氏體分解（200℃以下）： 

析出ε-Fe2.4C碳化物（亞穩(wěn)定） 

組織：回火馬氏體M’→過飽和α固溶體十亞穩(wěn)定ε碳化物（極細(xì)的)

作用：晶格畸變降低，淬火應(yīng)力有所下降。

b.殘余A分解（200-300℃）：A→M’（或A→B下） 組織：回火馬氏體M’

c.回火屈氏體T’形成（250-400 ℃）：ε→Fe3C; α→F－維持M’外形 

組織：回火屈氏體T’(F+ Fe3C) 

d.碳化物的聚集長大，鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶（>400℃） 

組織：回火索氏體S’—F（等軸晶）+ Fe3C（粒） 



實(shí)驗


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熱處理工藝對 45 鋼硬度的影響

按照 GB2975 要求，制成直徑為 25mm 的毛坯試樣，把每一種熱處理工藝的30 個試樣分成 3 組分別放進(jìn) 3 個爐中加熱，測其硬度。


回火時，硬度變化的總趨勢是隨回火溫度的升高而下降，但低、中碳鋼在250以下回火硬度下降不多，高碳鋼在100 回火時硬度略有上升，出現(xiàn)一個峰值，250以上回火硬度持續(xù)下降。

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含碳量與硬度關(guān)系

根據(jù)資料介紹，45 鋼在 0．44 ～ 0．50％含碳之，Ac線出現(xiàn)一個低凹的平臺，與當(dāng)前傳統(tǒng) 45 鋼 Ac 線有根大差別。依此制訂如下實(shí)驗方案：國標(biāo)規(guī)定，45 鋼含碳量為 0．42 ～ 0．50％，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，選取六種含碳量材料進(jìn)行實(shí)驗（見表 2）


選取 740℃ 、750℃、760℃、780℃、800℃、840℃六個加熱溫度進(jìn)行加熱淬火，每種試樣三個一組，每一加熱溫度有含碳量不同的六組試樣，所有試樣均在 RJx 一 爐內(nèi)加熱，時間為15 ～ 20 分種 ，水冷，然后制成金相試樣，并打硬度。

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試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，45 鋼含碳量在 0．44 到 0．50％之間，奧氏體化溫度出現(xiàn) r 一個低谷，并且在中該線還有隨含碳量的增加有上升的趨勢，當(dāng)前我們用于確定淬火加熱溫度所依據(jù)的 Ac 線在 45 鋼含碳量范圍內(nèi)不符。

從金相看，加熱溫度在780℃時試樣的淬火組織已經(jīng)是均勻的馬氏體組織 ，740℃ 、750℃ 、760℃的火試樣組織為：鐵素體+馬 氏體 硬度與淬火加熱溫度的關(guān)系及金相組織變化規(guī)律一致的，從溫度與硬度的關(guān)系看780℃淬火的試樣度值都在HRC60 以上，而 780℃以上隨淬火溫度高，硬度值變化不大，因為材料的組織在780℃短加熱已經(jīng)可以完壘奧氏體化，溫度再升高也只能引起奧氏體晶粒的長大。

由于Ac線在45 鋼含碳量范圍內(nèi)確實(shí)存在一個低谷，實(shí)際上 45 鋼只要加熱到780℃就能保證工件在正常加熱時間內(nèi)完壘奧氏體化，并在合適的冷速下淬成氏體。由此看來．以往按熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)選取的 45 鋼 840"C 的淬火溫度偏高，加熱時間稍長，就容易造成輕微過熱在奧氏體化時，易使奧氏體晶粒粗大。淬火時，鋼本身的冷卻速度慢，在相同冷卻條件下，過熱工件冷速加大使工件淬火時熱應(yīng)力組織應(yīng)都增大，在正常情況下，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的作用相反大小幾乎 能抵消 。然而對于小直徑零件，淬火時熱應(yīng)力幾乎不存在所以只有組織應(yīng)力單方面增加，加大了工件的變形及開裂的可能性。因此，為減少工件的變形及開裂 ，決定對大型 45 鋼件適當(dāng)降低淬火溫度，降到 820±10"C 而對于小直徑或薄壁工件（如直徑小于 10ram或厚度小于 6ram），把淬火溫度降低刊 800~C520℃回火，淬火硬度為 HRC56~ 60，回火硬度為 HRC34，滿足了工藝要求，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，變形也很小。該工藝正用于生產(chǎn)。

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提高 45 鋼工件使用壽命的措施

降低淬火溫度，采用亞溫淬火法是防 45 淬火開裂的一種簡單有效的方法 。文獻(xiàn)[1]指出：亞溫淬火獲得雙相組織鐵素體+馬氏體，可顯著減少其淬火后的翹曲變形量和體積脹量 ，其減小程度與未溶鐵素體量有關(guān)；量鐵素體的存在可使45 鋼工件的開裂率降零。

45 鋼淬裂還與工件的截面尺寸與形狀有。文獻(xiàn)[2]研究了 45 鋼淬裂的臨界尺寸，它是不同截面尺寸 ，在材料成分及淬火工藝規(guī)范變的條件下，找出產(chǎn)生裂紋的臨界尺寸。結(jié)果表明，采用常規(guī)工藝淬火，淬裂的危險直徑為 n，裂紋發(fā)生率在 rfffn 時為最高 3Ⅱn、8Ⅱn 未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。對于多孔狀復(fù)雜的工件，淬火時更易開裂。文獻(xiàn)[3]介紹 165ram×600n~-×42r~n 多孔 、形狀復(fù)雜的鋼制滑板經(jīng)820℃×45rain 加熱淬火后 ，整個板出現(xiàn)一個弓形，兩端翹曲 6—7rmn，該結(jié)果由于形狀復(fù)雜 ，冷卻不均 ，產(chǎn)生組織應(yīng)力所致。改進(jìn)的方法是采取斷續(xù)淬火法：先在水中速冷卻，估計溫度到 Ms 點(diǎn)附近時，將滑板從中提出緩冷，然后再入水冷至室溫，以使空氣卻和水冷卻相配合，減小馬氏體的轉(zhuǎn)變組織力。

對于尺寸較大的工件，需要將原材料鍛造形時，可以采用高溫形變淬火法。該法是將件毛坯加熱至穩(wěn)定奧氏體區(qū)域，保持適當(dāng)時后，在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行形變并淬火的復(fù)臺處理工藝。值得注意的是，45 鋼形變奧氏體晶界和高溫淬火奧氏體品界的化學(xué)成分存在明顯差別，在高溫淬火的原始奧氏體晶界上有 s、si 元素的富集，形變淬火后其雜質(zhì)元素比較均勻地分布在奧氏體中。故可認(rèn)為，晶界的凈化是高溫形變熱能獲得強(qiáng)韌化重要原因之一。

對較長的圓柱形工件淬火時，一般采用感應(yīng)加熱淬火法。該法時常也會出現(xiàn)淬火開裂現(xiàn)象，例如某廠對凸輪軸使用圓形感應(yīng)器，不旋轉(zhuǎn)單個音頻加熱，淬火后 出現(xiàn)凸輪桃尖淬裂現(xiàn)象，經(jīng)斷口檢查 ，裂紋存在于淬硬層內(nèi)。淬裂主要原因是：①凸輪和桃尖截面尺寸變化過大 ，加熱時在桃尖方向上易產(chǎn)生應(yīng)力集中。②碳含量超過 45鋼上限，感應(yīng)加熱時，隨含碳量的增加淬裂傾向性增大。③機(jī)械加工時產(chǎn)生的加工應(yīng)力在淬火加熱前未被消除。改進(jìn)措施：①把含碳量控制在0．43％—0．48％內(nèi)。②毛坯件經(jīng)正火處理，晶粒度控制在 6—8 級。③冷加工后加一道 550℃加熱2h 去應(yīng)力退火。


結(jié)論

45鋼廣泛用于機(jī)械制造，這種鋼的機(jī)械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，45號鋼可以淬硬至HRC42～46。所以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮45＃鋼優(yōu)越的機(jī)械性能，常將45＃鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度。

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參考文獻(xiàn)

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