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1、45 钢热处理工艺和含碳量与开裂的关系摘要：在五金行业中，45 钢制构件很多。该钢是是一种优质碳素结构钢，可进行各种热处理，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。多年来，这一钢种虽然已累积有丰富的生产与应用的经验，但在生产实际中，仍会出现许多使用不当之处，结果没有充分发挥该钢的性能潜力，造成大量浪费。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。45 钢淬火温度在 A3+(3050)，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。【关键字】：45 钢，调质
2、淬火，淬后缺陷，回火，组织转变一、45 钢的调质淬火调质是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在 0.300.50%。 调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。小型工厂不可能每炉搞金相分析，一般只作硬度测试，这就是说，淬火后的硬度必须达到该材料的淬火硬度，回火后硬度按图要求来检查。 45 钢的调质：45 钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件
3、不宜采用。 45 号钢的淬火温度在 820840 度左右，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间,一般为 1min/mm,如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。我们认为，如装炉量大，加热保温时间需延长 1/5。 因为 45 钢淬透性低，故应采用冷却速度大的 10%盐水溶液,45 号钢水淬容易有软点的.。水温要小于 30。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件
4、开裂，这是因为当工件冷却到 180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。 45 钢调质件淬火后的硬度应该达到 HRC5659，截面大的可能性低些，但不能低于 HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中。 45 钢淬火后的回火，加
5、热温度通常为 200，硬度要求为HRC4448。200回火金相为回火马氏体.图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。 45 钢为例的淬火工艺曲线： 二、45 钢淬火后硬度不足，主要原因有两方面：（1）45 钢加热温度偏低，或保温时间不足。 在此状态下，组织中奥氏体的碳和合金元素含量不够，甚至组织中还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体，导致 45 钢淬火后硬度达不到。（2）45 钢加热温度过高，或保温时间过长，造成 45 钢表面脱碳
6、，导致硬度变低。 三、回火目的(淬火组织的问题) a.消除淬火应力，降低脆性 b.稳定工件尺寸，由于 M，残余 A 不稳定 c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性 四、回火工艺及其应用 四、回火工艺及其应用回火类型 回火温度 组织 性能及应用 组织形态低温回火 150250 回火 M(M) 保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过饱和 a-Fe+e 碳化物中温回火 350500 回火屈氏体（T）硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度升高，用于弹性元件保留马氏体针形F+细粒Fe3C高温回火 500650 回火索氏体（ S）强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到
7、的组织。中碳钢、重要零件采用。多边形F+粒状Fe3C五、钢在回火时的组织转变 a.马氏体分解（200以下）： 析出 -Fe2.4C 碳化物（亚稳定） 组织：回火马氏体 M过饱和 固溶体十亚稳定 碳化物（极细的)作用：晶格畸变降低，淬火应力有所下降。 b.残余 A 分解（200-300）：AM（或 AB 下） 组织：回火马氏体 Mc.回火屈氏体 T形成（250-400 ）：Fe3C; F维持 M外形 组织：回火屈氏体 T(F+ Fe3C) d.碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（400 ） 组织：回火索氏体 SF（等轴晶）+ Fe3C（粒） 六、实验：6.1 热处理工艺对 45 钢硬度的影响
8、按照 GB2975 要求，制成直径为 25mm 的毛坯试样，把每一种热处理工艺的 30 个试样分成 3 组分别放进 3 个炉中加热，测其硬度。表 6-45 钢试样热处理后的硬度回火时，硬度变化的总趋势是随回火温度的升高而下降，但低、中碳钢在250 以下回火硬度下降不多，高碳钢在 100 回火时硬度略有上升，出现一个峰值，250 以上回火硬度持续下降。62 含碳量与硬度关系根据资料介绍，45 钢在 044 050含碳之，Ac 线出现一个低凹的平台，与当前传统 45 钢 Ac 线有根大差别。依此制订如下实验方案：国标规定，45 钢含碳量为 042 050，依据标准，选取六种含碳量材料进行实验（见表
9、 2）表 2 六种试样的规格含碳量选取 740 、 750、760 、780、800 、840六个加热温度进行加热淬火，每种试样三个一组，每一加热温度有含碳量不同的六组试样，所有试样均在 RJx 一 炉内加热，时间为 15 20 分种 ，水冷，然后制成金相试样，并打硬度。6.3 试验结果从试验结果可以看出，45 钢含碳量在 044 到 050之间，奥氏体化温度出现 r 一个低谷，并且在中该线还有随含碳量的增加有上升的趋势，当前我们用于确定淬火加热温度所依据的 Ac 线在 45 钢含碳量范围内不符。从金相看，加热温度在 780时试样的淬火组织已经是均匀的马氏体组织 ，740 、750 、760的
10、火试样组织为：铁素体+马 氏体 硬度与淬火加热温度的关系及金相组织变化规律一致的，从温度与硬度的关系看 780淬火的试样度值都在 HRC60 以上，而 780以上随淬火温度高，硬度值变化不大，因为材料的组织在 780短加热已经可以完垒奥氏体化，温度再升高也只能引起奥氏体晶粒的长大。由于 Ac 线在 45 钢含碳量范围内确实存在一个低谷，实际上 45 钢只要加热到 780就能保证工件在正常加热时间内完垒奥氏体化，并在合适的冷速下淬成氏体。由此看来以往按热处理工艺标准选取的 45 钢 840C 的淬火温度偏高，加热时间稍长，就容易造成轻微过热在奥氏体化时，易使奥氏体晶粒粗大。淬火时，钢本身的冷却速
11、度慢，在相同冷却条件下，过热工件冷速加大使工件淬火时热应力组织应都增大，在正常情况下，热应力与组织应力的作用相反大小几乎 能抵消 。然而对于小直径零件，淬火时热应力几乎不存在所以只有组织应力单方面增加，加大了工件的变形及开裂的可能性。因此，为减少工件的变形及开裂 ，决定对大型 45 钢件适当降低淬火温度，降到 82010C 而对于小直径或薄壁工件（如直径小于 10ram 或厚度小于 6ram），把淬火温度降低刊 800C520回火，淬火硬度为 HRC56 60，回火硬度为 HRC34 ，满足了工艺要求，未出现开裂现象，变形也很小。该工艺正用于生产。6.4 提高 45 钢工件使用寿命的措施降低淬
12、火温度，采用亚温淬火法是防 45 淬火开裂的一种简单有效的方法 。文献1指出：亚温淬火获得双相组织铁素体+ 马氏体，可显著减少其淬火后的翘曲变形量和体积胀量 ，其减小程度与未溶铁素体量有关；量铁素体的存在可使 45 钢工件的开裂率降零。45 钢淬裂还与工件的截面尺寸与形状有。文献2研究了 45 钢淬裂的临界尺寸，它是不同截面尺寸 ，在材料成分及淬火工艺规范变的条件下，找出产生裂纹的临界尺寸。结果表明，采用常规工艺淬火，淬裂的危险直径为 n，裂纹发生率在 rfffn 时为最高 3 n、8n 未发现淬火裂纹。对于多孔状复杂的工件，淬火时更易开裂。文献3 介绍 165ram600n-42rn 多孔
13、、形状复杂的钢制滑板经 82045rain 加热淬火后 ，整个板出现一个弓形，两端翘曲 67rmn，该结果由于形状复杂 ，冷却不均 ，产生组织应力所致。改进的方法是采取断续淬火法：先在水中速冷却，估计温度到 Ms 点附近时，将滑板从中提出缓冷，然后再入水冷至室温，以使空气却和水冷却相配合，减小马氏体的转变组织力。对于尺寸较大的工件，需要将原材料锻造形时，可以采用高温形变淬火法。该法是将件毛坯加热至稳定奥氏体区域，保持适当时后，在再结晶温度以上进行形变并淬火的复台处理工艺。值得注意的是，45 钢形变奥氏体晶界和高温淬火奥氏体品界的化学成分存在明显差别，在高温淬火的原始奥氏体晶界上有 s、si 元
14、素的富集，形变淬火后其杂质元素比较均匀地分布在奥氏体中。故可认为，晶界的净化是高温形变热能获得强韧化重要原因之一。对较长的圆柱形工件淬火时，一般采用感应加热淬火法。该法时常也会出现淬火开裂现象，例如某厂对凸轮轴使用圆形感应器，不旋转单个音频加热，淬火后 出现凸轮桃尖淬裂现象，经断口检查 ，裂纹存在于淬硬层内。淬裂主要原因是 ： 凸轮和桃尖截面尺寸变化过大 ，加热时在桃尖方向上易产生应力集中。碳含量超过 45 钢上限，感应加热时，随含碳量的增加淬裂倾向性增大。 机械加工时产生的加工应力在淬火加热前未被消除。改进措施： 把含碳量控制在 043048内。毛坯件经正火处理，晶粒度控制在 68 级。 冷
15、加工后加一道 550加热 2h 去应力退火。七、结论： 45 钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45 号钢可以淬硬至 HRC4246。所以如果需要表面硬度，又希望发挥 45钢优越的机械性能，常将 45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。参考文献：1 史美堂. 金属材料及热处理M. 上海：上海科技技术出版社，2007.2.2 王传雅等. 热加工工艺J.材料加工.1993.6：8-10.3 曾健康. 金属热处理J.上海金属.2000.22（1）：45-48.4 崔国林等. 金属热处理J.材料保护，2002，35（5）：20-25.5 温新林，王秀梅，张大庆等.水溶性淬火介质在现代热处理中的应用J.热加工工艺，2007，36（6）：58-60.
