45鋼熱處理工藝和含碳量與開裂的關(guān)系
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(cuò),機(jī)械性能較好,且價(jià)格低、來(lái)源廣,所以應(yīng)用廣泛。多年來(lái),這一鋼種雖然已累積有豐富的生產(chǎn)與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn),但在生產(chǎn)實(shí)際中,仍會(huì)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(shí)間。
【關(guān)鍵字】:45鋼,調(diào)質(zhì)淬火,淬后缺陷,回火,組織轉(zhuǎn)變
一、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?其目的是使工件具有良好的綜合機(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(shí),要求工件整個(gè)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(guò)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(cè)試,這就是說(shuō),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(lái)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(cuò),機(jī)械性能較好,且價(jià)格低、來(lái)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(hào)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(shí)間,一般為1min/mm,如果實(shí)際裝爐量大,就需適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。不然,可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),也會(huì)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(shí)間需延長(zhǎng)1/5。
因?yàn)?5鋼淬透性低,故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液,45號(hào)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?yàn)楫?dāng)工件冷卻到180℃左右時(shí),奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過(guò)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(yàn)操作,當(dāng)水中的工件抖動(dòng)停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。另外,工件入水宜動(dòng)不宜靜,應(yīng)按照工件的幾何形狀,作規(guī)則運(yùn)動(dòng)。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(shuō)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(guò)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(shí)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(shí)間關(guān)系不大,但必須回透,一般工件回火保溫時(shí)間總在一小時(shí)以上。
45鋼為例的淬火工藝曲線:
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(shí)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(guò)高,或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成45鋼表面脫碳,導(dǎo)致硬度變低。
三、回火目的(淬火組織的問(wèn)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
四、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(guò)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 |
五、鋼在回火時(shí)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(guò)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(zhǎng)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)
六、實(shí)驗(yàn):
6.1 熱處理工藝對(duì) 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(gè)試樣分成 3 組分別放進(jìn) 3 個(gè)爐中加熱,測(cè)其硬度。
表 6-45 鋼試樣熱處理后的硬度
回火時(shí),硬度變化的總趨勢(shì)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(shí)硬度略有上升,出現(xiàn)一個(gè)峰值,250 以上回火硬度持續(xù)下降。
6.2 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(gè)低凹的平臺(tái),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(yàn)方案:國(guó)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(yàn)(見表 2)
表 2 六種試樣的規(guī)格含碳量
選取 740℃ 、750℃、760℃、780℃、800℃、840℃六個(gè)加熱溫度進(jìn)行加熱淬火,每種試樣三個(gè)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(shí)間為15 ～ 20 分種 ,水冷,然后制成金相試樣,并打硬度。
6.3 試驗(yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)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(gè)低谷,并且在中該線還有隨含碳量的增加有上升的趨勢(shì),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(shí)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?yàn)椴牧系慕M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(zhǎng)大。
由于Ac線在45 鋼含碳量范圍內(nèi)確實(shí)存在一個(gè)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(shí)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(lái).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(shí)間稍長(zhǎng),就容易造成輕微過(guò)熱在奧氏體化時(shí),易使奧氏體晶粒粗大。淬火時(shí),鋼本身的冷卻速度慢,在相同冷卻條件下,過(guò)熱工件冷速加大使工件淬火時(shí)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(duì)于小直徑零件,淬火時(shí)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(duì)大型 45 鋼件適當(dāng)降低淬火溫度,降到 820±10"C 而對(duì)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)。
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(jiǎn)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(xiǎn)直徑為 n,裂紋發(fā)生率在 rfffn 時(shí)為最高 3Ⅱn、8Ⅱn 未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。對(duì)于多孔狀復(fù)雜的工件,淬火時(shí)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(gè)板出現(xiàn)一個(gè)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(jì)溫度到 Ms 點(diǎn)附近時(shí),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(duì)于尺寸較大的工件,需要將原材料鍛造形時(shí),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(shí)后,在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行形變并淬火的復(fù)臺(tái)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(duì)較長(zhǎng)的圓柱形工件淬火時(shí),一般采用感應(yīng)加熱淬火法。該法時(shí)常也會(huì)出現(xiàn)淬火開裂現(xiàn)象,例如某廠對(duì)凸輪軸使用圓形感應(yīng)器,不旋轉(zhuǎn)單個(gè)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(guò)大 ,加熱時(shí)在桃尖方向上易產(chǎn)生應(yīng)力集中。②碳含量超過(guò) 45鋼上限,感應(yīng)加熱時(shí),隨含碳量的增加淬裂傾向性增大。③機(jī)械加工時(shí)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(jí)。③冷加工后加一道 550℃加熱2h 去應(yīng)力退火。
七、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(hào)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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