已故雷廷权院士曾明确指出,中碳结构钢在正常淬火后进行500～700℃的高温回火,又可称为调质处理(代号515),获得的组织为回火索氏体,具有良好的综合力学性能。因此,调质处理适用于较大动载荷,尤其是复合应力(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、疲劳)下工作的工件。它们通常要求强度及韧性的良好匹配,即高的强韧性。
随着资源节约型社会的建设和高强度轻量化产品发展的需要,将传统的调质处理和调质钢进行细化分类,是不断提高调质处理质量的重要保证。而采用低碳马氏体钢代替调质钢,则是结构钢热处理发展的一个重要途径。
一、调质的分类
调质处理的目的是使工件获得良好的综合力学性能,而不仅仅是硬度,所以,调质处理应按综合力学性能分为高韧性调质、强韧性调质和高强度调质3类。高韧性调质是工件经淬火后进行650～700℃超高温回火,也称韧化处理。不仅可以使工件获得一定高的强度和塑性,而且可以获得相当高的韧性。调质后的力学性能列于表1。高韧性调质非常适用于冷镦、冷挤压用钢的调质球化处理,紧固件、成形件、弯折件的调质处理,以及高韧性轴、杆件的调质处理。
表1 钢高韧性调质处理后的力学性能
抗拉强度 Rm/MPa | 屈服强度 Rel/MPa | 断后伸长率 A(%) | 断面收缩率 Z(%) | 冲击吸收功 Akv(0℃)/J | 硬度 HBW |
500～650 | 350～500 | 22～32 | 60~75 | 80～250 | 160～230 |
强韧性调质是传统的调质处理,工件淬火后常在550～650℃高温回火,目的在于提高钢的韧性,使强度和韧性相匹配,得到较高的综合力学性能。强韧性调质适用范围很广,约80%以上中碳结构钢工件都采用此类调质。钢调质后力学性能列于表2。
表2 强韧性调质处理后的力学性能范围
抗拉强度 Rm/MPa | 屈服强度 ReH/MPa | 断后伸长率 A(%) | 断面收缩率 Z(%) | 冲击吸收功 Akv(0℃)/J | 硬度 HBW |
650～900 | 500～700 | 15～25 | 45～65 | 50～150 | 240～300 |
高强度调质也称硬性调质,工件淬火后进行500～600℃的高温回火,是使工件在获得较高的塑性、韧性的同时显著提高硬度和强度。此工艺非常适用于减重、轻量化工件,如高强度紧固件、高强度钢拉杆、锚杆,各种轴类件等要求高疲劳性能、高寿命的工件。钢调质后的力学性能列于表3。
表3 高强度调质处理后的力学性能范围
二、调质钢的分类
文献强调指出,影响调质处理质量最重要的因素是钢的淬透性。淬透性不同的钢,淬火后得到的淬透层深度便不同,显微组织也不同,因而沿截面分布的力学性能也就不同。工件的力学性能要求越高,尤其当工件的截面尺寸很大时,淬透性的影响也就越大。因此,按钢的淬透性高低,调质钢分为淬透性最低调质钢、淬透性较低调质钢、淬透性较高调质钢和淬透性最高调质钢4类。淬透性最低的调质钢是指经20℃水淬,临界直径15～23mm的中碳非合金钢(中碳碳素钢)。如35钢、40钢、45钢、50钢。其中45钢(代号U20452)是我国应用最普遍、使用量最大的调质钢。由于淬透性最低,因此45钢的调质处理只适合截面尺寸小于25mm的小工件。但是多年来,许多企业对45钢的调质处理恰恰忽略了淬透性这个最重要的质量特性,不仅截面尺寸60～100mm的工件,甚至直径300～500mm大型轴类件的预先热处理也采用调质处理。由于截面尺寸效应,工件尺寸越大淬火后硬度越低,淬硬层越浅,工件的综合力学性能也就越低。特别是由于粗车余量(一般3～5mm),45钢工件调质处理后的精车会将工件的大部分甚至全部淬硬层加工掉。由于当工件直径大于60mm时,调质后的性能与正火后的性能相近,尺寸大于100mm时表面甚至无法得到马氏体组织,所以45钢大截面尺寸工件应在正火或表面淬火状态下使用。淬透性较低的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为30～54mm,油淬临界直径为19～40mm的中碳低合金钢(质量分数一般不大于2.5%)。主要有35Cr、40Cr、45Cr、35Mn2、40Mn2、45Mn2钢等,其中40Cr钢(代号A20402)是我国使用量最大的合金调质钢。常用于中等截面尺寸、力学性能要求比非合金钢(碳钢)高的调质件。淬透性较高的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为42～85mm,油淬临界直径为30～6mm的中碳低合金钢。主要有30CrMnSi、35CrMnSi、35CrMo、42CrMo、40CrNi钢等。35CrMo(代号A30352)、42CrMo(代号A30422)钢是最常采用的中碳低合金调质钢,主要特点是强度高,韧性好,淬透性较40Cr钢高,在高温下有高的蠕变强度和持久强度,可在500℃温度下长期工作。淬透性最高的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为60～126mm,油淬临界直径为46～114mm的中碳低合金钢和中碳中合金钢。主要钢种有40CrNiMoA(代号A50403)、agtCrMnMo(代号A34402)、37CrNi3(代号A42372)钢等。常用于制造大截面、承受冲击载荷的高强度零件,如卧式锻造机的传动偏心轴,锻压机的曲轴,高强度拉杆、锚杆等。上述4类调质钢,仅涵盖了普通机械用调质钢,由于钢的化学成分不同,截面尺寸不同,热处理工艺不同,因此各类之间没有严格的界限。
三、低碳马氏体钢代替调质钢
雷廷权院士特别强调,调质处理是在牺牲强度的条件下提高塑性及韧性的工艺,对发挥材料的潜力是十分不利的。而低碳钢及低碳合金钢强烈淬火成低碳马氏体的应用日益广泛,成为发挥钢材强韧性潜力,延长机器零件寿命的一个重要途径,因此在工业生产中低碳钢强烈淬火可以代替一部分中碳钢调质处理。(1)20Cr钢低碳马氏体强烈淬火代替40Cr钢调质处理20Cr钢在350℃回火后,强度、硬度、塑性、冲击韧度均比调质40Cr钢高。用20Cr钢可以取代40Cr钢制造钻杆锁接头,可减少甚至避免滑扣失效。由于具有高的塑性、断裂韧度、多冲抗力和冷脆转化温度较低(<-70℃),可显著提高钻杆锁头使用寿命。低碳马氏体强化后具有优良的加工性能,并简化了工序,降低了成本。这两种钢调质后的力学性能见表4。
表4 20Cr钢和40Cr钢热处理后的力学性能对比
用20钢钢管代替45钢调质制造链板运输机的方套。20钢钢管经900℃X7min淬人10%NaCl水溶液,160℃×30min回火,硬度42～46HRC,强度比调质45钢提高40%,简化了工序,装配时不发生破裂,畸变小,提高了产品质量生产效率提高了1倍以上。用20钢代替45钢调质制造升降臂连接销。升降臂连接销原采用45钢调质处理。部分零件两头φ6mm孔产生裂纹。采用20钢,1000℃×4.5～5min,淬入5%～15%(质量分数)碱水,没有裂纹。(3)20CrMnTi钢淬火强化代替40CrMnTi钢调质热处理后,20CrMnTi钢和40CrMnTi钢的力学性能列于表5。
表5 20CrMnTi钢和40CrMnTi钢热处理后的力学性能对比
四、结束语
(1)调质处理最主要的目的是使工件获得良好的综合力学性能。按力学性能分类,调质分为高韧性调质,强韧性调质,高强度调质3类。(2)淬透性是影响调质处理质量的最重要的质量特性。按淬透性调质钢分为淬透性最低、较低、较高及最高4类。(3)低碳马氏体钢代替调质钢,是结构钢热处理发展的一个重要途径。
作者:张垣
单位:巨力索具股份有限公司钢拉杆制造总厂
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