45钢热处理工艺和含碳量与开裂的关系

1、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+(3050)C,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

2、，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0.300.50%。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。4

3、5号钢的淬火温度在820840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 0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

4、180c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 HRC5659,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 200C,

5、硬度要求为HRC4448。200c 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：时间入炉保温出炉油冷像水冷）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

6、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150250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350500回火屈氏体()硬度卜.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500650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

7、、重要夺件木用。多边形F+粒状Fe3C五、钢在回火时的组织转变a.马氏体分解（200c以下）：析出&Fe2.4C碳化物（亚稳定）组织：回火马氏体M 一过饱和a固溶体十亚稳定e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（200-300C） ： A-M （或AfB下）组织：回火马氏体 Mc.回火屈氏体形成（250-400 C） ： e 一 Fe3c; 一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（400C）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

8、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勒处夏/鹿MP*策组冷却方式回火乱"勇城第二鸵%理平埼wo.帏闿1X7ISM改拿1兄休空冷10510L29.8102俄旅博*立片 犹珠无体2加招15居民体*号氏体 t腹余奥R体水冲603R5 1为，6峭马氏体，或余艮艮体*420056357%S用火q氏体43J43.9r 43s回火屈氏国水冷60021A jm252217叵火翁氏体7W姐OUJ嫌案钵-弓氐洋 哦病具体回火时，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 2

9、50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. 440. 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. 420. 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1H闻号现格畲碟扯寻110k 15l川二EOx 150.463|0x |S0.47+lOx 150.4K510k IS0.496EOx 15().50选取740c、750C> 760C、780C> 8

10、00C> 840c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1520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 780c时试样的淬火组织已经是均匀的马氏体组织 740c、750c、760c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，

11、从温度与硬度的关系看780c淬火的试样度值都在HRC60以上，而780c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

12、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 800C520c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

13、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3H n、811n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- >42rn多孔、形状复杂的钢制滑 板经820c M5rain加热淬火后，整个板出现一个弓形，

14、两端翘曲 67rmn,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

15、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：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。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。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：把含碳量 控制在0. 43%0. 48%内。毛坯件经正火处理，晶粒度控制在68级。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，