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45钢热处理工艺和含碳量与开裂的关系

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+(30~50)℃,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0.30~0.50%。 

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不宜采用。 

45号钢的淬火温度在820~840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HRC56~59,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,加热温度通常为200℃,硬度要求为HRC44~48。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:
 wps1.png

 


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,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

150~250

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

350~500

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

500~650

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ε-Fe2.4C碳化物(亚稳定) 

组织:回火马氏体M’→过饱和α固溶体十亚稳定ε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℃):A→M’(或A→B下) 组织:回火马氏体M’

c.回火屈氏体T’形成(250-400 ℃):ε→Fe3C; α→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S’—F(等轴晶)+ Fe3C(粒) 

六、实验:

6.1 热处理工艺对 45 钢硬度的影响

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

wps2.png


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。

6.2 含碳量与硬度关系

根据资料介绍,45 钢在 0.44 ~ 0.50%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 0.42 ~ 0.50%,依据标准,选取六种含碳量材料进行实验(见表 2)

表 2 六种试样的规格含碳量

wps3.png


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 0.44 到 0.50%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 840"C 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 820±10"C 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 800~C520℃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 3Ⅱn、8Ⅱn 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 165ram×600n~-×42r~n 多孔 、形状复杂的钢制滑板经 820℃×45rain 加热淬火后 ,整个板出现一个弓形,两端翘曲 6—7rmn,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 :①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。②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。③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:①把含碳量控制在 0.43%—0.48%内。②毛坯件经正火处理,晶粒度控制在 6—8 级。③冷加工后加一道 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HRC42~46。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.


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