45钢锻后余热热处理研究

45钢锻后余热热处理研究摘要：45钢作为最常用的中碳调质结构钢，其锻件的应用极其广泛，45钢锻件热处理还可以得到进一步的完善。通过对45钢锻造和45钢锻件锻后常规热处理的研究，利用所学的金属学与热处理相关知识，通过工艺性分析得出如何在45钢锻造结束时利用45钢的终锻温度直接进入热处理的工艺方法，最后，总结出45钢锻后余热热处理的工艺方案。通过实验验证，分析实验结果，比较得出45钢锻后余热热处理的工艺性能。45钢锻后余热热处理减少了45钢锻后进行的热处理工序，降低了45钢锻件的热处理成本。在一定程度上，提高了45钢锻件的机械性能，在实际生产中，具有巨大的经济效益。关键词：45钢，锻造，热处理，余热热处理IStudyonheattreatmentofwasteheatafter45steelforgingAbstract：45steelisthemostcommonlyusedmediumcarbonsteel,andtheapplicationofitsforgingisveryextensive,and45steelforgingheattreatmentcanbefurtherimproved.Throughthestudyof45steelforgingand45steelforgingsafterconventionalheattreatment,theauthorusesthemetalscienceandheattreatmentrelated,andthroughtheprocessofanalysisofhowtodrawattheendofthe45steelforgingusing45steelfinalforgingtemperatureandthenitwilldirectlyintotheprocessofheattreatment.Finally,thispapersummarizesthe45steelafterforgingheattreatmentprocess.Throughtheexperimentalverification,theexperimentalresultsareanalyzedandthetechnologicalpropertiesoftheheattreatmentafter45steelforgingareobtained.45steelafterforgingheattreatmentreducesthe45steelforgingaftertheheattreatmentprocess,whichreducesthe45steelforgingheattreatmentcost.Inacertainextent,itimprovesthemechanicalpropertiesof45steelforgings,Theimportantisthehugeeconomicbenefitsintheactualproduction.Keywords:45steel,Forging,Heattreatment,WasteheattreatmentII目录1绪论.11.1关于45钢.11.245钢的用途.21.3Fe-Fe3C相图.2245钢的锻造.42.1关于锻造.42.245钢的锻造温度.42.345钢的锻造比.5345钢的热处理.63.1关于45钢的热处理.63.245钢的热处理规范.63.345钢的热处理工艺.63.3.145钢的退火.63.3.245钢的正火.73.3.345钢的调质.93.445钢的其他热处理.11445钢的锻后余热热处理.134.1关于锻后余热热处理.134.245钢锻后余热正火工艺.134.345钢锻后余热调质工艺.135实验.155.1实验方案.155.1.1实验目的.155.1.2实验设备及材料.155.1.3实验内容及步骤.155.1.4注意事项.165.2实验数据.165.2.1实验数据.16III5.2.2实验数据分析.175.3实验结论.186实例.196.1锻后的停留时间.196.2强韧化机理的探讨.217总结.24参考文献.25致谢.2601绪论1.1关于45钢中国GB标准钢号45，也叫“油钢”。市场现货热轧居多；冷轧规格1.0mm4.0mm之间。热轧，在再结晶温度以上进行的轧制；冷轧，在再结晶温度以下进行的轧制。45钢的成分：主要成分为Fe，碳含量为0.42%0.50%，其他元素含量Si：0.17%0.37%，Mn：0.50%0.80%，P：0.035%，S：0.035%，Cr：0.25%，Ni：0.25%，Cu：0.25%。45钢的密度为7.85g/cm3。45钢的材料性能：主要由塑性、韧性、弹性、刚性、延展性、强度和硬度指标等来描述。45钢在外力作用下能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性，表现出材料性能中的塑性。45钢的塑性一般，塑性指标主要有冲击值、断面收缩率和相对伸长率等。45钢的冲击值为39J；45的收缩率老标准JB/T6396-1992用表示，新标准JB/T6396-2006用Z表示，单位为%，45钢的收缩率为40%；45钢材料做抗拉实验，式样断裂后，断面标距部分增长的长度与式样初始长度之比，反应了材料塑性大小，即为伸长率，伸长率越大，塑性越大，伸长率用表示，45钢伸长率为16%。45钢在应力的作用下断裂，在断裂前承受一定的塑性变形，吸收塑性变形和断裂过程中的能量，表现出材料性能中的韧性，45钢经过适当的热处理后可以获得一定的韧性，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。45钢在到达弹性极限之前是具有弹性的，弹性指标用弹性常数泊松比来反映，45钢的泊松比为0.26945钢可以承受较高的应力而不发生很大的应变，表现出材料性能中的刚性，刚性指标由弹性模量E来反映，即应力除以应变，45钢的弹性模量为210Gpa。45钢在外力作用下可以延伸成细丝或被碾成薄片，表现出材料性能中的延展性，45钢既具有塑性也具有延展性。45钢的机械部件首先应该满足强度的基本要求，对45钢而言，常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们都可以通过拉伸试验进行测出，45钢的屈服强度应大1于等于355Mpa，抗拉强度应大于等于600Mpa才算合格。245钢在多次交变载荷作用下会产生破坏，在破坏前的最大应力表现出材料性能中的疲劳强度，应尽量不要让45钢处于多次交变载荷中，到达疲劳强度会被破坏，造成损失和危险1。45钢在不同的状态下具有不同的硬度，硬度是比较各种材料软硬的指标，对于45钢而言，常用的硬度指标有布氏硬度HB和洛氏硬度HR，布氏硬度值（HB）单位为公斤力/mm2(N/mm2)。45钢交货状态硬度，热轧钢为229HB退火钢为197HB。45钢淬火后的硬度极高，不能用布氏硬度来表示，这时就需要用到洛氏硬度，用金刚石圆锥体压入45钢表面，由压痕的深度求得45钢的洛氏硬度1.245钢的用途45钢本身具有一定的硬度，而经过不同的热处理后，还可以拥有不同的硬度和不同的力学性能和机械性能，因此，45钢的主要用途是用来制造强度要求较高的零件。这些零件所用的45钢经过正火或调质处理后基本可以满足要求。有些零件则要求表面具有很高的硬度，这就需要45钢在经过一般的正火或调质工序后，还需对45钢材料进行表面的热处理，比如表面的渗碳、渗氮或表面的碳氮共渗等热处理工序，这样就可以得到很高的表面硬度，以满足零件的需求2。45钢最常用来制造轴类零件。轴类零件的要求多种多样，根据轴类零件的结构形状、设计要求、使用条件等，需要对45钢进行不同的处理及加工。对于轴类零件的毛坯，一般为棒料，要求也不是很高，只需使用45钢锻件即可，即45钢材经过模锻或自由锻后就可以用于轴类零件的制造。根据后续的要求，对毛坯进行粗加工后，经过不同的热处理工序，即可用来制造不同的轴。粗加工后的45钢毛坯经过正火或调质后，可以获得较好的切削性能，较高的强度和韧性，再加上本身极好的机械性能，基本可以满足不同轴类零件的需求3。45钢的另一个用途是用来做模具焊材，45钢所针对的模具焊材型号为：CMC-E45，45钢焊条是唯一结合性较好的中硬度刚焊条，可以用于各种模具及各种板金的修补焊接。1.3FeFe3C相图碳钢：含碳量为0.0218%2.11%的铁碳合金。45钢作为最常用的中碳调质结构钢，也属于铁碳合金中的一种，都以铁和碳为3基本组元。研究45钢，则需研究FeFe3C相图，FeFe3C相图对45钢的成分，不同加工条件、不同热处理工序后的45钢成分、组织和性能的研究具有重要的意义。FeFe3C相图分析：45钢的液相线温度在1495左右。由FeFe3C相图可以确定45钢的Ac1约为727，45钢的Ac3约为770。Ac1是珠光体向奥氏体转变的临界温度。Ac3是铁素体完全溶解转变成奥氏体的临界温度。对45钢热处理的主要研究是研究不同热处理工序后45钢的组织成分，即45钢不同热处理后得到的金相组织种类、结构及性能。通过对不同热处理工序后得到的金相组织性能的研究，就基本上可以确定45钢在不同热处理工序后得到的材料性能和机械性能。4245钢的锻造2.1关于锻造45钢材用锻压机进行锻造，改善45钢内部组织，提高45钢的材料性能和机械性能，是为45钢的锻造。通过锻造得到要求的45钢零件，消除45钢在冶炼过程中的产生的的疏松等缺陷。45钢矿石经过冶炼，炼成锻坯，然后进行加热，根据所需的45钢零件用锻压机进行锻造成型，得到所需的形状，然后进行相应的热处理，正火或调质后得到所需的硬度和性能，这些就是45钢锻件的生产和加工。45钢的锻造具有很大的意义，由于45钢最为常用，而一个国家的锻件产量又反映一个国家的机械生产水品，45钢的锻件产量又占极大部分，45钢锻件的数量和质量就显得极为重要，而要提高45钢锻件的质量，45钢锻后的热处理起到极其重要的作用。对45钢锻造后的热处理研究也就很有必要。2.245钢的锻造温度45钢锻件开始锻造时的初始温就是45钢的始锻温度。45钢的始锻温度太高会使45钢内部组织融化从而使45钢失去塑性，而始锻温度太低，又不能使45钢组织反应充分，得不到所需的性能。因此，45钢的始锻温度应选择合适的范围，既让45钢的锻造可以顺利进行，又可以获得所需要的45钢锻后产品。45钢在始锻温度下应进行一定的保温时间，使45钢锻坯的温度均匀，这样有利于45钢内部的组织充分反应，45锻造后就可以有很好的塑性提升，可以提高45钢锻件的质量。45钢锻件停止锻造的温度就是45钢的终锻温度。终锻温度的高低与锻造材料有关，不同的材料终锻温度不一样，终锻温度也跟锻造工艺有关，不同的锻造工艺和锻造要求的终锻温度也不一样。45钢在终锻结束后，可以获得45钢锻造后的内部再结晶组织，有利于提高45钢锻件的塑性，使锻后的粗加工变得简单有效。终锻温度注意：终锻温度以下锻造，易产生冷作硬化，使坯料表面的硬度增大，继续锻造会引起裂纹甚至断裂。一些复杂的锻造工艺如果锻造温度过低，影响锻件质量，增加生产的不安全性。545钢的锻造温度范围应该尽可能得宽一些，可以减少45钢锻造的次数，可以尽快得得到所需的45钢锻件，这样就提高了45钢锻件的生产率，对工业的发展也具有极大的意义。由FeFe3C相图可以确定始锻温度、终锻温度和锻造温度范围。碳钢的锻造温度范围为7501250。45钢的始锻温度范围：1150120045钢的终锻温度范围：800850那么45钢锻造的温度范围就为8001200，一般情况下，在此温度范围内进行锻造即可以得到所需的，符合性能要求的45钢锻件。45钢的加热温度范围：11901230，保温时间：0.250.7minmm-1。2.345钢的锻造比45钢在锻造时进行变形，锻坯有不同的锻造方式，一般情况下，45钢的锻坯要么“变细”，要么“变粗”，即45钢的锻造过程要么是拉拔，要么是镦粗，拉拔和镦粗的锻造比的计算方法不相同，45钢拉拔时锻造比为45钢锻坯的横截面积比上45钢锻后锻件的横截面积；而45钢镦粗时的锻造比为45钢锻后的横截面积比上45钢锻前的横截面积。简单地说，都是大的横截面积比上小的横截面积的比值，具体为：45钢拉拔时的锻造比yF/Fn，式中：y锻造比：F45钢锻坯的横截面积；Fn45钢锻件的横截面积。总锻造比等于各火次的分锻造比之积：y总=F0/F1F1/F2Fn-1/Fn=y1y2y3yn。45钢镦粗时的锻造比yF/Fn，式中：F坯料镦粗后的横截面积；Fn45钢锻坯的横截面积。锻造比对钢锭组织的破碎和力学性能的改善：锻造比为1.53时，组织的破碎和性能的改善显著；锻造比为46时，变化趋于缓和；锻造比大于6时，基本不再变化。锻造比对晶粒度的影响：对晶粒度的细化显著，随着锻造比的增加，晶粒不断变细，锻造比大于6时基本不再细化。645钢最好性能的锻造比为1.53。在此区间，45钢的塑性增加显著，强度基本不变。345钢的热处理3.1关于45钢的热处理45钢在不同的温度范围内进行加热，加热到所要求的温度后进行保温或不保温，然后以不同的速度在不同的介质中进行冷却，这就是45钢的热处理。45钢的热处理可以改变45钢的内部组织或表面组织，可以显著提高45钢的力学性能。对于45钢锻件进行热处理则可以有效的去除45钢在锻造过程中造成的组织不均匀、锻后残余的内应力等缺陷，使45钢锻件的性能符合零件要求。45钢的热处理工艺与其它碳钢的基本差不多，正火、退火和调质处理。3.245钢的热处理规范冷压毛胚软化处理规范：温度740760，保温时间46h，以50100/h的冷速，随炉降至温度600，出炉空冷，处理前硬度197HBS，处理后硬度156HBS。正火规范：正火温度850-870，正火后硬度170-217HBS。调质处理规范：淬火温度84010，水冷淬火；回火温度60010，出炉空冷。GB/T699-1999标准规定的45钢推荐热处理温度为850正火、840淬火、600回火。GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度b600MPa，屈服强度s355MPa，伸长率16%，断面收缩率40%，冲击功ak为39J。73.345钢的热处理工艺3.3.145钢的退火45钢加热到45钢的Ac3温度以上3050，即770+3050以上，一般在820840，然后进行一定时间的保温后，随炉冷却到一定的温度，然后进行空冷，这些就是45钢的退火工艺。45钢退火工艺一般为45钢的完全退火。由于45钢的退火是随炉冷却，所以它的冷却速度较慢。45钢进过退火工艺，可以使45钢内部的组织成分变得均匀，使45钢零件更好地成型，并且使45钢零件更高的切削，提高了45钢的力学性能和加工性能。45钢的退火：温度820840，速度150200，保温1h/20mm（工件厚度），随炉冷却至600以下，然后出炉空冷，得到的内部组织为珠光体和铁素体。其组织为铁素体和珠光体，其中60%左右黑色组织为珠光体、40%左右白色为铁素体。由于珠光体和铁素体的韧性和塑性都不错，珠光体的强度比铁素体高，它们的硬度都差不多，基本适中4，可以推断出45钢经过退火处理后，由于同时具有珠光体和铁素体，那么它的韧性和塑性也不错，退火后的45钢硬度也不会太高，强度则8比铁素体的高，但低于正火处理后的强度。3.3.245钢的正火45钢加热到45钢的Ac3温度以上3050，即770+3050以上，一般比退火时加热的温度要高，一般为850870，然后进行一定时间的保温，最后出炉空冷，这就是45钢的正火工艺。45钢正火工艺的冷却速度要比45钢退火的冷却速度快，这样它们得到的最终组织是不一样的。45钢的正火工艺也可以很好地改善45钢内部的组织结构，并且效果一般比退火的好。在有些情况下，45钢正火后即可交货，相比退火来说，由于少了随炉冷却的过程，45钢的正火工艺极大地降低了消耗，而且45钢经正火工艺处理后，得到的性能也很好，甚至比经过退火工艺处理的还好，所以，在满足零件各种条件的情况下，45钢的正火工艺完全可以取代45钢的退火工艺，还节约了成本。45钢的正火：加热温度850870，保温46h，以50100/h冷却。空冷，硬度170217HBS，得到的组织主要为珠光体。组织中铁素体和珠光体都细而均匀。9由于45钢进过正火工艺处理后得到的组织主要为珠光体，那么根据珠光体的性能，就可以很好地推断出45钢经正火工艺处理后的性能。相比于退火后的45钢，正火后的45钢塑性和韧性也很好，硬度与退火后的差不多，但强度就要比退火后的高，对于高强度要求的零件来说，正火处理明显的更好一些。3.3.345钢的调质45钢一般是在正火和调质状态下使用，45钢的调质工艺和其他碳钢一样，也包括淬火和回火，但不同的是，45钢经淬火后一般进行的是高温回火，所以，45钢的调质工艺即为45钢的淬火和45钢的高温回火。45钢经过调质工艺处理后，综合机械性能得到很大提升，一般情况下，45钢的调质工艺可作为45钢的最终热处理工序，45钢经调质工艺的处理后，即可交货，基本满足不同种类的零件对45钢不同性能的要求。45钢的调质工艺在45钢的热处理中应用最为广泛，在45钢经正火处理不能满足工艺要求时，对45钢进行调质处理就可以达到需求。同45钢的退火和正火一样，一般情况下，45钢的淬火也需加热到45钢的Ac3温度以上3050，即770+3050以上，一般为830850，然后进行一段稍短时间的保温或不保温，只需要使45钢内外的温度基本一样，就可以将45钢在10%的NaCl水溶液中进行淬冷，这就是45钢的淬火工艺。45钢淬火时的淬火介质选用10%的NaCl水溶液是因为10%的NaCl水溶液要比自来水的冷却速度快得多，一般在2倍以上，这样10%的NaCl水溶液的冷却能力也就比自来水的高的多，一般在10倍以上。极大地提升了45钢淬火后的得到的组织性能。由于45钢最大的缺点是淬透性差，那么45钢在淬火时不仅不容易淬透，还会有开裂的倾向，这就不仅需要用10%的NaCl水溶液来进行淬火，还需在淬火时需要将工件进行搅动，使45钢冷却均匀。45钢的淬火：温度830850，待45钢的内外温度基本一样后，在10%的NaCl水溶液进行淬冷，硬度HRC5659，得到的组织为马氏体。10由于马氏体的主要的性质是具有极高的硬度的强度，那么，根据马氏体的性质就可以推断出45钢淬火后也具有很高的强度和硬度，由于45钢淬透性差，那么有些就会出现淬透层，45钢的心部不一定能够淬透。45钢淬火后由于硬度极高，是无法进行加工的，再加上45钢在淬火时形状变形，就不可避免得出现了内应力，这是极其不利的。这就需要45钢在淬火后及时进行高温回火，一般来说，只要是黑色金属，在进行淬火工艺之后，都需进行回火工艺。45钢的高温回火需要将45钢加热到560600，然后进行一定时间的的保温，保温时间的长短取决于将45钢回透所需的时间，一般在1h以上，回透后就可以出炉冷却，由于保温时间的长短对45钢回火后性能的影响不大，所以只需回透即可，以节约成本，这些就是45钢的高温回火工艺。45钢的高温回火的目的自然是降低45钢淬火后的硬度，以便于对45钢进行下一步的机械加工，同时去除45钢淬火时产生的内应力，极大地提高45钢的综合性能。45钢的高温回火：温度560600，回透后空冷，得到的组织为回火索氏体115。由于45钢回火后的组织为回火索氏体，根据回火索氏体具有良好的塑性和韧性，具有较高的强度和硬度6，可以推断出45钢经高温回火后也具有很好的塑性和韧性，同时还具有较高的强度和硬度，综合力学性能得到了极大的提升7。基本满足45钢不同机械零件的不同需求，满足各种生产工艺要求。3.445钢的其他热处理45钢的表面淬火45钢的表面淬火同45钢的淬火一样，将45钢加热到淬火温度，不同的是不需要进行任何保温，甚至不需要使45钢的内外温度一样，立即进行水冷淬冷，这样就可以使45钢的表面达到很高的硬度，而除了表面之外，内部却还具有很好的塑性和12韧性。采用表面淬火工艺可以达到这种表硬心韧的性能要求。45钢的化学热处理钢的化学热处理一般有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。45钢作为中碳钢，含碳量已经不低，一般不做渗碳处理。如果确实需要对45钢进行渗碳处理，渗碳处理方法基本和低碳钢一样，将45钢放在渗碳介质中，然后在900950进行加热保温，使活性炭原子渗入45钢的表面，获得一定的渗碳层。可以极大得提高45钢的硬度，多用于45钢齿轮和一些45钢轴。45钢的渗氮处理则是在45钢表面渗入氮元素，形成富氮硬化层8，和45钢的渗碳相比，45钢在渗氮后会获得比45钢渗碳层更高的硬度，同时还会获得更高的表面耐磨性，硬度甚至可以达到6572HRC。一般多用于45钢的精密齿轮和45钢的磨床轴等。45钢的碳氮共渗则是在45钢表面同时渗入碳元素和氮元素，具体处理方法是将45钢放入密封炉中，然后向炉内通入渗碳气体和氨气，然后进行加热保温，形成碳氮共渗层。由于是碳和氮同时渗入，可以很好地推断出45钢经过碳氮共渗后的性能应该介于45钢渗碳和45钢渗氮之间，应该具有比45钢渗氮件高的硬度和表面耐磨性，低于45钢渗氮件，但是还会获得很好地韧性，同时45钢碳氮共渗后的耐腐蚀性也得到显著提高。主要用于45钢模具和一些45钢轴等。13445钢的锻后余热热处理4.1关于锻后余热热处理锻后余热热处理：锻件通过热锻成型后，直接进入热处理工序的工艺方法。锻后余热热处理，减少了锻后进行的热处理工序，降低锻件的热处理成本，在一定程度上，提高锻件的机械性能，细化锻件的晶相组织。45钢的锻后余热热处理就是将45钢在锻机上锻造成型后，在终锻温度下直接进行45钢的热处理，而不是在锻件冷却后再进行常规的热处理工序。由于45钢通常是在正火和调质状态下使用，而一般情况下，45钢的正火可以取代45钢的退火，所以，45钢的锻后余热热处理也应该分为45钢锻后余热正火处理和45钢锻后余热调质处理。4.245钢锻后余热正火工艺45钢的锻后余热正火就是45钢在锻造成型完成后，对锻件进行一定温度的保温处理，然后空冷，完成“正火”的工序。如果45钢的锻后温度高于45钢的正火温度，其实可以直接在正火温度下进行一定时间的保温，然后出炉空冷；而如果45钢的锻后温度低于45钢的正火温度，则需对45钢锻件进行加热后在进行保温，然后出炉空冷。45刚锻后余热正火处理后得到的组织与45钢正火处理后的组织基本一样，性能也相差不多，甚至在某些方面的性能优于45钢常规正火的性能，说明45钢锻后余热正火可以取代45钢的锻后正火。同时由于利用了45钢终锻时的温度进行正火，减少了45钢锻后再进行的正火工序，降低了45钢锻件正火的成本，可以很好地利用在大批量45钢正火锻件的生产上，具有很好的经济效益。144.345钢锻后余热调质工艺45钢的锻后余热调质就是45钢在锻造成型完成后，在终锻温度下进行45钢的淬火，然后再进行45钢的高温回火，这些就是45钢锻后余热调质工艺，分为45钢的锻后余热淬火和45钢的高温回火。45钢锻后余热淬火是45钢在锻造成型完成后，在45钢终锻温度下直接将45钢锻件在10%的NaCl水溶液中进行淬冷，得到与45钢锻件在锻造完成后空冷，然后加热到45钢淬火温度再进行淬火相似的组织，由于45钢锻件在锻后的组织不是很均匀，45钢锻后余热淬火后得到的组织虽然改善了组织的均匀度，也并不能完全达到与45钢锻件的淬火组织均匀度完全一样。但是，45钢锻后余热淬火得到的组织相比于45钢锻件锻后淬火得到的组织力学性能要好的多，表现在45钢锻后余热淬火的组织的韧性要比45钢锻后淬火的组织的韧性要好，韧性提高在20%30%；45钢锻后余热淬火的组织的硬度、强度和伸长率相比于45钢断后淬火组织也要提高在10%左右。45钢锻后余热淬火工艺省去了45钢锻件在冷却后再进行加热的工序，极大的节约了45钢锻后淬火的成本，并且提高了45钢锻件淬火后的力学性能，相应的也节约了45钢材的用量。当然，由于45钢锻后余热淬火组织性能得到了提升，硬度提高使得加工变得更为困难，所以必须再进行45钢锻后余热淬火后的高温回火。45钢锻后余热淬火后的高温回火与45钢锻件的高温回火一样，加热到560600，回透后进行空冷9。但45钢锻后余热淬火后的高温回火的主要目的是极大的降低45钢锻后余热淬火组织的硬度，以便于进行下一步的机械加工；同时极大的均匀45钢锻后余热淬火组织，使其均匀度与45钢锻后淬火的均匀度基本一致，使45钢锻后余热淬火后再高温回火的组织性能均匀，机械加工性能得到很好地改善，达到45钢锻件热处理后的零件对各种性能的要求，完成零件的生产，达到交货的要求进行交货。由于45钢锻后余热调质工艺具有如此多的优点，并且不影响之后的机械加工，所以45钢锻后余热调质工艺可以取代45钢锻后调质工艺，可以在生产上得到很好的推广，并获得可观的经济效益。155实验5.1实验方案5.1.1实验目的根据以上的研究，可以确定本次实验的主要目的是比较45钢锻后余热正火得到的锻件与45钢锻后正火得到的锻件的金相组织、力学性能和机械性能是否和所研究的一致；比较45钢锻后余热调质后得到的锻件的金相组织、力学性能和机械性能与45钢锻后调质得到的锻件与所研究的是否能一样。即验证以上的研究是否正确与准确，并得到相关的结论，确认相关的45钢锻后余热热处理工艺。5.1.2实验设备及材料实验材料：30mm的45钢圆柱棒料锻坯实验设备锻锤：对45钢锻坯进行锻造红外线测温仪：测量锻造时的温度，以确定45钢的始锻温度和终锻温度各式加热炉：对45钢锻件进行热处理冷却介质槽：装10%的NaCl水溶液光学显微镜：观察不同热处理后的金相组织拉伸压力机：对实验材料做拉伸试验，以便测得拉伸强度和屈服强度冲击试验机：对实验材料做冲击试验，以便测得材料的冲击值布氏硬度计：测45钢锻件正火和回火后的硬度16洛氏硬度计：测45钢锻件淬火后的硬度5.1.3实验内容及步骤根据45钢锻造比的研究，将30mm的45钢圆柱棒料锻坯锻成10mm，长L100mm的圆柱形锻件，锻造比为2.25，在45钢最好性能锻造比范围之间。至少锻4组锻件，以便分别做不同的热处理实验第一组锻件，锻成后空冷，然后进行45钢锻后正火实验，将其放在加热炉中加热到850，保温30min，出炉空冷到室温，观察其金相组织，用布氏硬度计测定硬度，最后做拉伸试验和冲击试验。第二组锻件，锻成后直接将其放在加热炉中进行850的保温，保温20min后，出炉空冷到室温，然后进行与第一根锻件相同的实验。第三组锻件，锻成后空冷，然后进行45钢锻后淬火实验，将其放在加热炉中加热到840，在10%的NaCl水溶液中淬冷，观察其金相组织，用洛氏硬度计测定其硬度。第四组锻件，锻成后直接在在10%的NaCl水溶液中淬冷，然后进行与第三根锻件相同的试验。最后将第三组和第四组锻件进行45钢的高温回火实验，将它们放在加热炉中加热到600，保温40min后，出炉空冷到室温，观察它们的金相组织，用布氏硬度计测定它们的硬度，最后做拉伸试验和冲击试验。5.1.4注意事项由于45钢的锻造、45钢锻后热处理实验和45钢锻后余热热处理实验都是在较高的温度下进行，需要注意的最重要的一点就是防范高温的损伤。其他需要注意的事项就是普通热处理时需要注意的那些以及各种仪器使用时需要注意的使用规范。175.2实验数据5.2.1实验数据第一组（45钢锻后正火）数据：硬度/HB抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa213267653698454483伸长率/%断面收缩率/%冲击值ak/J23.351.039.7第二组（45钢锻后余热正火）数据：硬度/HB抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa224295677723499524伸长率/%断面收缩率/%冲击值ak/J23.650.839.3第三组（45钢锻后调质）数据：淬火硬度/HRC回火硬度/HB抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa5256229237735778635660伸长率/%断面收缩率/%冲击值ak/J19.760.341第四组（45钢锻后余热调质）数据：淬火硬度/HRC回火硬度/HB抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa565823423776381265769818伸长率/%断面收缩率/%冲击值ak/J20.461.6425.2.2实验数据分析锻造加热温度试验中，不同锻造加热温度对锻热淬火(并在600回火)后对强度的影响不同。试验表明，锻造加热温度11501250，甚至到1300，强度值变化并不大。文献指出，45钢加热时晶粒度的变化，从9501050有一个临界值，950时，晶粒大小变化不大，9501050晶粒急剧长大，而1050后晶粒长大的趋势缓和。从热处理考虑，希望锻造加热温度低一些(热处理最佳温度在900以下)，可以获得较细的奥氏体晶粒。但从锻造考虑，望锻造温度高一些，易于变形(最佳锻造加热温度在1150以上)。当高温形变强化与热处理强化相结合时，锻造加热温度虽然高一些，但对机械性能的影响并不十分明显。因此，应用锻热淬火工艺时采用生产中实际锻造加热温度11501250是可行的。在9001150范围加热，从锻造、热处理考虑均不合适。锻造(始锻终锻)温度及变形量文献提供了形变温度及变形量对45钢锻热淬火后机械性能的影响。可见，提高形变温度，将减少形变强化效果。形变强化效果并非随形变量的增加单调上升，而是达到一定形变量后，强化效果反而有些下降。形变温度为1000时最明显10。这与形变过程中及形变后高温停留时的去强化效应有关。形变量较大时，强化效应虽较高，但去强效应也较快，如果去强效应的增加大于强化效应的增加，必然导致最终强化效果下降10。但当形变量控制在合适的范围(一般在20%40%)，从图3可以看出，锻热悴火的机械性能，并不低于普通淬火的机械性能。实际生产中，大部分零件的形变量均接近最佳变形量范围，停锻温度控制在9001000，锻热淬火后都可获得比普通淬火好的机械性能。195.3实验结论通过试验，结合有关资料介绍，认为目前国内一般工厂45钢模锻(锻造加热11501250，终锻温度9501050)，完全可以采用锻热淬火工艺。锻后停留时间，除了注意去强效应:外，还应特别注意，由于小件冷却速度快，容易出现铁素体组织，降低强韧化效果。高温形变强化理论同样适用于锻热悴火。但由于高温加热，奥氏体稳定区的高温变形和停留时间较长(实际生产的可能)，而造成去强作用。因此，锻热淬火机理又有所不同，其强韧化还应以粗晶提高淬透性，获得较多的位错板条马氏体以及细微结构的碳化物来进一步进行解析。通过对实验数据的对比，可以验证先前研究的45钢锻后余热热处理的正确性，并得出45钢锻后余热热处理的工艺方案。6实例广东机械学院的李运松做过45钢变速杆的锻热淬火工艺的研究。45钢制变速杆简图试验中的变速杆材料为45钢，整体调质处理硬度要求HB229269，小头高频淬火，硬化层深度14mm，硬度不小于HRC51。20生产工艺过程为:下料一锻造一调质(预先热处理)一机加工一小端高频淬火并自行回火一检验。其调质的淬火加热，是利用模锻一切边(并同时整形)后的余热控制淬火。6.1锻后的停留时间在试验中，变速杆经锻后(为了控制模锻后停留时间，考虑切边对试验影响不大而省掉此工序)，停留不同时间淬入25水中，再经58090min回火。锻后停留时间对机械性能的影响。可见，停留30s尚能得到满意的效果，如果停留至40S，工件表面温度已太低，淬火后性能明显降低。文献报导了S43C中碳钢曲轴的锻热淬21火工艺及其效果。曲轴轴颈为66mm(重20kg)，毛坯加热至1250，在6000t压力机流水线上锻压成形，停留lmin后淬入水中，经500560回火。锻热淬火曲轴的机械性能仍高于普通淬火曲轴。文献还指出，当停留时间过长，工件表面温度过低，以致有铁素体析出时，锻热淬火后性能将大大降低，不同温度锻造停留不同时间对硬度的影响不同，其中1050锻造、变形51%的情况是接近生产实际和本次试验的。实际生产也只能控制在较长时间，因为锻后还需切边、整形，而锻造温度过高或过低随着停留时间延长，对性能的影响均较大。我们认为，如变速杆这样的小件，停留30s以内，大件最多不超得过60s,而且还应注意工件表面温度，否则，出现铁素体而降低性能。6.2强韧化机理的探讨22变速杆进行锻热淬火试验，与普通淬火工艺相比，虽然晶粒粗大一些，但由于悴透性提高很多(约34倍)，淬火组织中获得了较多的板条马氏体，强度得到一定的提高，韧性可保持在原有水平或稍有改善，且回火稳定性有明显提高。近来的研究证明，高温形变淬火能减少孪晶马氏体量，并能使马氏体片内的亚晶(位错胞状组织)数量激增，使亚晶内和亚晶界上碳化物的分布更加均匀、弥散。这种形态的碳化物比较稳定，它不但可以延缓低温回火时马氏体的分解，还能提高中、高温回火抗力。高温形变淬火马氏体的精细结构对改善钢的强韧化有明显好处。在23锻热淬火条件下，根据马氏体相变的现代理论