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    45鋼熱處理工藝和含碳量與開裂的關系

    45鋼熱處理工藝和含碳量與開裂的關系

    摘要:在五金行業中,45鋼制構件很多。該鋼是是一種優質碳素結構鋼,可進行各種熱處理,冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低、來源廣,所以應用廣泛。多年來,這一鋼種雖然已累積有豐富的生產與應用的經驗,但在生產實際中,仍會出現許多使用不當之處,結果沒有充分發揮該鋼的性能潛力,造成大量浪費。它的最大弱點是淬透性低,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。

    【關鍵字】:45鋼,調質淬火,淬后缺陷,回火,組織轉變

    一、45鋼的調質淬火

    調質是淬火加高溫回火的雙重熱處理,其目的是使工件具有良好的綜合機械性能。為使調質件得到好的綜合性能,一般含碳量控制在0.30~0.50%。 

    調質淬火時,要求工件整個截面淬透,使工件得到以細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鋼的調質:

    45鋼是中碳結構鋼,冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低、來源廣,所以應用廣泛。它的最大弱點是淬透性低,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,如果實際裝爐量大,就需適當延長保溫時間。不然,可能會出現因加熱不均勻造成硬度不足的現象。但保溫時間過長,也會也出現晶粒粗大,氧化脫碳嚴重的弊病,影響淬火質量。我們認為,如裝爐量大,加熱保溫時間需延長1/5。 

    因為45鋼淬透性低,故應采用冷卻速度大的10%鹽水溶液,45號鋼水淬容易有軟點的.。水溫要小于30°。工件入水后,應該淬透,但不是冷透,如果工件在鹽水中冷透,就有可能使工件開裂,這是因為當工件冷卻到180℃左右時,奧氏體迅速轉變為馬氏體造成過大的組織應力所致。因此,當淬火工件快冷到該溫度區域,就應采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握,須憑經驗操作,當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,應按照工件的幾何形狀,作規則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件,導致硬度不均勻,應力不均勻而使工件變形大,甚至開裂。 

    45鋼調質件淬火后的硬度應該達到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,就要按圖紙要求調整回火溫度,以保證硬度。關于回火保溫時間,視硬度要求和工件大小而定,我們認為,回火后的硬度取決于回火溫度,與回火時間關系不大,但必須回透,一般工件回火保溫時間總在一小時以上。 

    45鋼為例的淬火工藝曲線:
     wps1.png

     


    二、45鋼淬火后硬度不足,主要原因有兩方面:

    (1)45鋼加熱溫度偏低,或保溫時間不足。 

       在此狀態下,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變的珠光體或未溶鐵素體,導致45鋼淬火后硬度達不到。

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

    三、回火目的(淬火組織的問題) 

    a.消除淬火應力,降低脆性 

    b.穩定工件尺寸,由于M,殘余A不穩定 

    c.獲得要求的強度、硬度、塑性、韌性 四、回火工藝及其應用 

    四、回火工藝及其應用

    回火類型

    回火溫度

    組織

    性能及應用

    組織形態

    低溫回火

    150~250

    回火M(M’)

    保持高硬度,降低脆性及殘余應力,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、彈性極限和屈服強度升高,用于彈性元件

    保留馬氏體針形F+細粒Fe3C

    高溫回火

    500~650

    回火索氏體(S’)

    強度、硬度、塑性、韌性、良好綜合機械性能,優于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。

    多邊形F+粒狀Fe3C

    五、鋼在回火時的組織轉變 

    a.馬氏體分解(200℃以下): 

    析出ε-Fe2.4C碳化物(亞穩定) 

    組織:回火馬氏體M’→過飽和α固溶體十亞穩定ε碳化物(極細的)

    作用:晶格畸變降低,淬火應力有所下降。 

    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,鐵素體的回復與再結晶(>400℃) 

    組織:回火索氏體S’—F(等軸晶)+ Fe3C(粒) 

    六、實驗:

    6.1 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 3 個爐中加熱,測其硬度。

    表 6-45 鋼試樣熱處理后的硬度

    wps2.png


    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,出現一個峰值,250 以上回火硬度持續下降。

    6.2 含碳量與硬度關系

    根據資料介紹,45 鋼在 0.44 ~ 0.50%含碳之,Ac線出現一個低凹的平臺,與當前傳統 45 鋼 Ac 線有根大差別。依此制訂如下實驗方案:國標規定,45 鋼含碳量為 0.42 ~ 0.50%,依據標準,選取六種含碳量材料進行實驗(見表 2)

    表 2 六種試樣的規格含碳量

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    選取 740℃ 、750℃、760℃、780℃、800℃、840℃六個加熱溫度進行加熱淬火,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 爐內加熱,時間為15 ~ 20 分種 ,水冷,然后制成金相試樣,并打硬度。

    6.3 試驗結果

    從試驗結果可以看出,45 鋼含碳量在 0.44 到 0.50%之間,奧氏體化溫度出現 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,當前我們用于確定淬火加熱溫度所依據的 Ac 線在 45 鋼含碳量范圍內不符。

    從金相看,加熱溫度在780℃時試樣的淬火組織已經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系及金相組織變化規律一致的,從溫度與硬度的關系看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 鋼含碳量范圍內確實存在一個低谷,實際上 45 鋼只要加熱到 780℃就能保證工件在正常加熱時間內完壘奧氏體化,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準選取的 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力組織應都增大,在正常情況下,熱應力與組織應力的作用相反大小幾乎 能抵消 。然而對于小直徑零件,淬火時熱應力幾乎不存在所以只有組織應力單方面增加,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,未出現開裂現象,變形也很小。該工藝正用于生產。

    6.4 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[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;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[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范變的條件下,找出產生裂紋的臨界尺寸。結果表明,采用常規工藝淬火,淬裂的危險直徑為 n,裂紋發生率在 rfffn 時為最高 3Ⅱn、8Ⅱn 未發現淬火裂紋。對于多孔狀復雜的工件,淬火時更易開裂。文獻[3]介紹 165ram×600n~-×42r~n 多孔 、形狀復雜的鋼制滑板經 820℃×45rain 加熱淬火后 ,整個板出現一個弓形,兩端翹曲 6—7rmn,該結果由于形狀復雜 ,冷卻不均 ,產生組織應力所致。改進的方法是采取斷續淬火法:先在水中速冷卻,估計溫度到 Ms 點附近時,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定奧氏體區域,保持適當時后,在再結晶溫度以上進行形變并淬火的復臺處理工藝。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,形變淬火后其雜質元素比較均勻地分布在奧氏體中。故可認為,晶界的凈化是高溫形變熱能獲得強韌化重要原因之一。

    對較長的圓柱形工件淬火時,一般采用感應加熱淬火法。該法時常也會出現淬火開裂現象,例如某廠對凸輪軸使用圓形感應器,不旋轉單個音頻加熱,淬火后 出現凸輪桃尖淬裂現象,經斷口檢查 ,裂紋存在于淬硬層內。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生應力集中。②碳含量超過 45鋼上限,感應加熱時,隨含碳量的增加淬裂傾向性增大。③機械加工時產生的加工應力在淬火加熱前未被消除。改進措施:①把含碳量控制在 0.43%—0.48%內。②毛坯件經正火處理,晶粒度控制在 6—8 級。③冷加工后加一道 550℃加熱2h 去應力退火。

    七、結論: 

      45鋼廣泛用于機械制造,這種鋼的機械性能很好。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,又希望發揮45#鋼優越的機械性能,常將45#鋼表面滲碳淬火,這樣就能得到需要的表面硬度。

    參考文獻:

    [1] 史美堂. 金屬材料及熱處理[M]. 上海:上??萍技夹g出版社,2007.2.

    [2] 王傳雅等. 熱加工工藝[J].材料加工.1993.6:8-10.

    [3] 曾健康. 金屬熱處理[J].上海金屬.2000.22(1):45-48.

    [4] 崔國林等. 金屬熱處理[J].材料保護,2002,35(5):20-25.

    [5] 溫新林,王秀梅,張大慶等.水溶性淬火介質在現代熱處理中的應用[J].熱加工工藝,2007,36(6):58-60.


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