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1、 1 绪论金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都
2、可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种
3、较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得
4、了新的表面热处理和化学热处理方法。 在长期的生产实践和科学实践中,人们对金属内部组织状态变化规律的认识不断深入。特别是从60年代以来，透射电镜和电子衍射技术的应用，各种测试技术的不断完善，在研究马氏体形态、亚结构及其与力学性能的关系，获得不同形态亚结构的马氏体的条件，第二相的形态、大小、数量及分布对力学性能影响等方面，都取得了很大的发展。建立在这些基础上的淬火新工艺也层出不穷，其中亚共析钢的亚温淬火就是其中之一。亚共析钢在之间的温度加热淬火称为亚温淬火。意即比正常淬火温度低的温度下淬火，其目的是提高冲击韧性值，降低冷脆转变温度及回火脆性倾向。有人研究了35CrMnSi钢不同淬火状态的冲击韧性及
5、硬度与回火温度的关系，可知经930淬火+650回火+800亚温淬火的韧性，随着回火温度的升高而单调提高，没有回火脆性。有人研究了直接应用亚温淬火时，淬火温度对45、40Cr和60钢力学性能的影响，发现在和之间的淬火温度对力学性能的影响有一极大值。在以下510处淬火时,硬度、强度都达到了最大值，且略高于普通正常淬火。第一重型机械集团冶金研究所的刘时雨等人所做的理论分析与实验结果表明，20MnMo、12Cr1MoV钢（亚共析钢）在略低于的温度奥氏体化淬火，可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。亚温淬火加热温度应接近于，以避免出现过多的铁素体而影响钢的强度。同时生产实践的结果表明大型低
6、碳合金钢锻件经过亚温淬火热处理后，与正常调质、正常回火热处理工艺相比，在满足工件强度的条件下，不仅可以获得更细化的晶粒组织，节省能源，为性价比极佳的一种热处理方法。1.1 45钢性能应用及传统热处理方式一 45钢性能应用45钢用以制造蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件；还可代替渗碳钢制造齿轮、轴 、活塞销等零件(零件需经高频或火焰表面淬火)；并可用作铸件。 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。 1. 45钢淬火
7、后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。 实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。 2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质表面淬火提高零件表面硬度。 渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质表面淬火高。其表面含碳量0.81.2，芯部一般在0.10.25（特殊情况下采用0.35）。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC5862），芯部硬度低，耐冲击。 如果用45钢渗碳，淬火后
8、芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。0.35从来没见过实例，只在教科书里有介绍。可以采用调质高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。二 传统热处理方式牌号: 45推荐热处理/|正火: 850推荐热处理/|淬火: 840推荐热处理/|回火: 600力学性能|b/MPa: 600力学性能|s/MPa: 355力学性能|5(%): 16力学性能|(%): 40力学性能|AKU/J: 39钢材交货状态硬度HBS10/3000，|未热处理钢: 229钢材交货状态硬度HBS10/3000，|退火钢: 197 1.
9、2 钢的亚温淬火处理 1.2.1 亚温淬火简介亚温淬火是亚共析钢在Ac1Ac3温度之间两相区内加热，经充分保温后淬火，又称临界区淬火 在机器制造业中, 广泛采用着低、中碳碳钢或低、中碳低合金钢等结构钢。结构钢传统的热处理工艺是调质, 即完全淬火加高温回火。淬火所得组织为马氏体, 高温回火后为回火索氏体。此种显微组织提供了强度和韧性的良好配合。对亚共析结构钢采用完全淬火的理由是避免出现未溶铁素体而使钢的性能变坏。但近年来, 随着强韧化工艺的发展, 人们在生产实践和科学试验中发现,对亚共析钢采用不完全淬火有助于在不降低材料强度的同时提高其韧性。所谓亚温淬火,亦即亚共析钢的不完全淬火, 或称临界区淬
10、火、两相区加热淬火, 是将钢加热至奥氏体和铁素体两相区进行淬火。亚温淬火及随后回火是一种使钢强韧化的新工艺此工艺对钢的原始组织有一定要求, 一般在亚温淬火前均需进行一次完全淬火或调质处理 1.2.2 亚温热处理的强韧化效果 1.2.2.1 提高钢在韧性状态下的冲击韧性许多文献均报导了亚温淬灭可以提高钢的室温和低温冲击韧性值。例如, 可以提高C r 一5 1一N i 钢1 一6 、 1 2H3 钢7、45钢、40X钢和60 CZ钢8、22CrMnSiMo钢*和35CrMo钢9以及5%Ni钢10等在韧性状态下的冲击韧性经调质的和经亚温淬火并回火的35 x r c 钢, 在b相同的情况下, 后者的室
11、温冲击韧性较前者约高1 倍(见表1 )。30X F C 钢经780C或800C亚温淬火可使5 5 0 C回火后的室温冲击韧性较920C常规淬火并550C回火后的约高2 3 倍(见表l ) 1 1 。 表11 亚温淬火对35 X C钢室沮。二的影响1 热处理规范在下列 b （公斤/毫米）下的（公斤*米/厘米）1101201001109510090 930C淬火+高温回火（空冷） 930C淬火+800C淬火+高温回火（空冷）3.54.563.54.489510117.512对2 2 CrsiM o 钢、3 5 C r Mo 钢、4 0 x 钢、4 2 Cr M。钢和4 5 钢所进行的试验结果示于表
12、2 。由表2 可见, 与一般调质工艺相比, 在硬度、即强度相同的情况下, 亚温淬火使2 2-C r Mn s iM。钢于一60C 的冲击韧性提高了20 0 % (结合断口分析可知, 此处包括了因脆性转变温度下降而使断裂从脆断转变为韧断所导致的冲击韧性的提高), 使35 Cr M。钢提高了8 3 % , 使4 0 C r 钢提高了1 7 % , 而对4 2Cr Mo 钢和4 5 钢效果不明显 表1-2 各种钢经最佳亚沮处理与调质后的性能对比9 钢号热处理规范HRCk（公斤*米/厘米）25C-60C22CrMnsiMo860C油淬+575C回火*860C油淬+575C回火*860C油淬+575C回
13、火+785C油淬+500C回火860C油淬+575C回火+785C油淬+550C回火29.827.529.624.42.202.774.526.3535CrMo860C油淬+575C回火860C油淬+575C回火+785C油淬+550C回火860C油淬+575C回火+800C油淬+550C回火36.437.336.88.0314.5814.5340Cr860C油淬+630C回火860C油淬+630C回火+770C油淬+660C回火30.729.87.859.1742CrMo860C油淬+600C回火860C油淬+600C回火+765C油淬+550C回火36.038.712.2511.06458
14、30C水淬+600C回火830C水淬+600C回火+780C水淬+600C回火17.020.214.8715.5735CrMo钢的Ac1为755C,Ac3 为800C；40Cr钢的Ac1为743C，Ac3为782C42CrMo钢的Ac1为730C,Ac3为780C； 45钢的Ac1为724C，Ac3为780C* 2CrMnsiMo钢的临界点未查出, 但由金相组织看出, 该钢经860悴火后的组 织中无铁素体存在。而经800淬火后的组织中则有铁素体, 故该俐的A cs 界于800C 860 之间。 * 此处22CrMnsiMo钢系将母材35CrMo钢用08CrMnSiMo钢焊丝进行CO2气体保护半自动焊接后的焊缝成份。焊后为类似铸态的粗大组织。由此看来, 亚温悴火的强韧化效果与钢中含碳量有关。这可能是由于含碳量低时,亚温淬火后仍得到强韧性好的板条马氏体,而含碳量高时, 亚温淬火后得到的组织中片状马氏体量增多的缘故。这一看法与对金相组织的观察基本符合。断口分析进一步证明了亚温淬火的强韧化效果: 于一60C 冲断的宏观断口上看出, 经最佳亚温淬火规范处理后的22CrMnSiMo钢, 只有标志韧性破断的纤维区及剪切唇, 而没有标志脆性的放射区(3 s c r M。钢亦然) ; 从微观电子扫描断口可以看出,22CrMnSiMo钢经调质后为呈现大量撕裂棱的准解理破断( 图1) ,
