45鋼齒軸熱處理工藝的改進(jìn)

王巧云，白俊蘭

（1.西安航空學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西安交大思源科技股份有限公司，陜西 西安 710049）

45鋼是一種具有很好機(jī)械性能的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸及國防工業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。但是這種中碳鋼淬火時(shí)性能并不是很理想，用水做淬火介質(zhì)時(shí)有開裂傾向。45鋼原材料及其零件的熱處理工藝一般均采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理傳統(tǒng)的工藝為淬火和高溫回火。多年來，這一鋼種雖然已經(jīng)積累了豐富的生產(chǎn)與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，仍會(huì)出現(xiàn)因熱處理不當(dāng)而沒有充分發(fā)揮該鋼種具有的性能潛力，從而造成材料及機(jī)器的浪費(fèi)。本文通過某機(jī)械廠齒軸采用45鋼調(diào)質(zhì)處理性能的現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合有關(guān)資料，研究采用亞溫淬火熱處理工藝，確定45鋼齒軸的熱處理工藝參數(shù)，為零件的生產(chǎn)提供制定工藝的依據(jù)。

1 齒軸現(xiàn)狀分析

1.1 熱軋棒材的組織及性能測試

實(shí)驗(yàn)材料來源于某齒軸機(jī)械廠，對取樣材料依次編號，其中1?！?＃為熱軋棒材，6?！?1＃為鑄件。拉伸試樣按照國標(biāo)制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，將其加工成d0＝10mm，L0＝5d0的短試樣，在100kN的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試；沖擊試樣也按照國標(biāo)加工成10mm×10mm×55mm夏氏V形缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣，在JB沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行韌性測試；對于金相試樣則是對材料經(jīng)取樣、磨制、拋光、硝酸酒精腐蝕等步驟的制作，然后在金相顯微鏡下觀察金相組織。

測試的力學(xué)性能結(jié)果如表1所示。

表1 取樣測試的力學(xué)性能

通過表中的性能數(shù)據(jù)分析，熱軋棒材和鑄件的抗拉強(qiáng)度相近，約720MPa左右，均稍低于一般45鋼調(diào)質(zhì)態(tài)的800MPa；熱軋棒材與鑄件的屈服強(qiáng)度相近，在380～440MPa之間，均低于一般調(diào)質(zhì)態(tài)的450MPa；關(guān)于塑性，熱軋棒材的斷面收縮率是鑄件的近一倍，延伸率整體上也高于鑄件，但是仍然低于正常調(diào)質(zhì)態(tài)的水平，鑄件的塑性較差；熱軋棒材和鑄件的沖擊韌性很低，熱軋棒材較集中在15～26J／cm2，鑄件較分散在8～33J／cm2，遠(yuǎn)低于一般調(diào)質(zhì)態(tài)100J／cm2。

圖1 取樣材料的金相顯微組織

圖1為45鋼取樣后的金相顯微組織。熱軋棒料的顯微組織呈不同的形態(tài)，有的為細(xì)網(wǎng)鐵素體，有的試樣組織為小塊斷網(wǎng)鐵素體，有的試樣組織為絮狀鐵素體＋回火索氏體。鑄件的顯微組織中有細(xì)顆粒狀鐵素體、大量長條狀鐵素體、細(xì)塊鐵素體、甚至有嚴(yán)重魏氏體、晶界網(wǎng)狀鐵素體及粗大組織。

1.2 熱軋?jiān)牧系慕M織及性能測試

圖2為熱軋材原材料的組織。其組織為鐵素體＋珠光體，組織符合技術(shù)要求。表2為熱軋材原材料測試的力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，所使用的45鋼熱軋質(zhì)量基本符合優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能中強(qiáng)度與塑性要求。沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分散性較大，和GB／T699－1999要求相比，略有不足。

圖2 熱軋?jiān)牧系娘@微組織

表2 熱軋材原材料的力學(xué)性能

1.3 測試結(jié)果分析

對于熱軋材，總體來說原料基本符合要求。本次性能測試和某齒軸機(jī)械廠提供的熱處理后材料性能相比，屈服強(qiáng)度處理后的低于處理前，抗拉強(qiáng)度略高于處理前，沖擊韌性基本相近，調(diào)質(zhì)熱處理效果不明顯。

齒軸采用的45鋼熱軋棒材，處理前的組織性能基本符合要求，抗拉強(qiáng)度在700MPa附近，屈服強(qiáng)度在450MPa左右，延伸率在20%左右，沖擊吸收功偏低，在20J左右；某機(jī)械廠將齒軸調(diào)質(zhì)熱處理后，性能沒有明顯的改善，在調(diào)質(zhì)處理后的組織中，依然看到組織粗大，有各種不同形態(tài)（細(xì)網(wǎng)狀、長條狀、絮狀、塊狀、甚至嚴(yán)重魏氏組織）的鐵素體，表明所取位置的試樣沒有達(dá)到調(diào)質(zhì)處理的規(guī)范，組織不合格，性能自然不可能達(dá)到要求。

2 亞溫淬火工藝的探討

某機(jī)械廠里的調(diào)質(zhì)處理無論是組織還是性能均沒達(dá)到要求，為此應(yīng)該對調(diào)質(zhì)處理進(jìn)行規(guī)范。原材料的總體質(zhì)量良好，但也有波動(dòng)，可以考慮對來料進(jìn)行一次細(xì)化組織的風(fēng)冷正火處理，以改善來料的組織性能。亞溫淬火在鐵素體和奧氏體兩相區(qū)加熱，相對于調(diào)質(zhì)處理加熱溫度低，晶粒長大傾向較小，所以，淬火后組織晶粒較細(xì)?。?］?，F(xiàn)在我們擬進(jìn)行亞溫淬火研究，其熱處理工藝曲線如圖3所示，目標(biāo)是獲得混合馬氏體和細(xì)粒狀鐵素體組織，既有高的強(qiáng)度，也有好的塑韌性。

圖3 齒軸的熱處理工藝曲線

2.1 45鋼亞溫淬火后的組織分析

查閱有關(guān)資料并研究，45鋼淬火加熱溫度影響鐵素體的含量及分布形態(tài)：實(shí)驗(yàn)的淬火加熱溫度選擇在740～800℃之間，淬火后的組織以馬氏體為主，組織中分布著或多或少的鐵素體，淬火溫度不同，鐵素體的形態(tài)也有較大的變化［2］。加熱溫度740℃時(shí)，淬火組織中有較多的鐵素體，并且鐵素體呈塊狀形態(tài)；加熱溫度在770℃時(shí)，淬火組織中鐵素體的含量減少且鐵素體的形態(tài)呈網(wǎng)狀形態(tài)分布在奧氏體晶界的周圍；在800℃淬火時(shí)，組織中鐵素體的含量已經(jīng)很少，基本上只有2%～5%，形態(tài)呈塊狀和網(wǎng)狀的鐵素體基本消失，少量的鐵素體分布在馬氏體的組織中。如果選擇淬火加熱溫度在740～800℃之間，通過組織觀察，其結(jié)果是隨著淬火加熱溫度升高，淬火后組織中鐵素體含量逐步減少，馬氏體含量逐漸增加，并且鐵素體的形態(tài)也由塊狀變成網(wǎng)狀，最后逐漸消失［2］。

2.2 45鋼亞溫淬火溫度與力學(xué)性能的關(guān)系

有資料研究表明：其力學(xué)性能是隨著淬火加熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度和硬度也增加［3］。鋼的組織決定力學(xué)性能。45鋼淬火加熱溫度在740～800℃之間，通過組織分析主要是隨著淬火溫度的升高，淬火后組織中不僅鐵素體含量逐步減少，而且鐵素體的形態(tài)也發(fā)生變化，馬氏體含量增加。淬火溫度低于770℃，鐵素體的形態(tài)由塊狀變成網(wǎng)狀，這種不良組織影響鋼的力學(xué)性能，因而淬火加熱溫度對其強(qiáng)度和硬度的影響顯著［2］；淬火溫度高于770℃，鐵素體含量逐漸減少，加熱溫度對性能的影響也減弱。淬火溫度為800℃時(shí)，45鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度，其力學(xué)性能接近于常規(guī)的840℃淬火，分析原因主要是組織中雖然鐵素體的含量非常少，但由于晶粒細(xì)化，因而表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和硬度［2］?；鼗饻囟仍礁撸摰膹?qiáng)、硬度越低，這與馬氏體組織的分解程度有關(guān)。

2.3 45鋼齒軸亞溫淬火工藝的確定

45鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理＋亞溫淬火＋回火得到較細(xì)顯微組織，雖然組織中鐵素體仍然存在，降低了45鋼的硬度，但由于晶粒細(xì)化和晶界總面積的增加，使得45鋼的硬度得到提高。亞溫淬火后，45鋼保持較高硬度的同時(shí)，其韌性也得到了很大的提高［4］。工件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)行亞溫淬火，加熱溫度在770℃比740℃淬火時(shí)沖擊韌度值要高很多，并且在770℃沖擊韌度達(dá)到最大值，而在800℃淬火時(shí)其沖擊韌度值又有所下降。分析原因主要是因?yàn)殡S著淬火溫度的升高，在保溫時(shí)間一定的情況下，800℃淬火時(shí)奧氏體晶粒相比770℃時(shí)要長大很多，淬火后馬氏體晶粒也相對粗大，因而使其韌度有稍微的下降［5］。

通過45鋼亞溫淬火工藝的研究，確定45鋼齒軸的亞溫淬火溫度為（780±10）℃，為了不降低工件的力學(xué)性能同時(shí)考慮制造成本，把回火溫度相應(yīng)調(diào)整到（550±10）℃。采用新工藝處理齒軸時(shí)，淬火和回火保溫時(shí)間適當(dāng)?shù)难娱L，以確保工件的組織完全轉(zhuǎn)變。比較新舊調(diào)質(zhì)處理工藝，二者力學(xué)性能很相近，新工藝可以滿足齒軸對原材料的要求。亞溫淬火工藝的優(yōu)點(diǎn)是在保證材料強(qiáng)、硬度的同時(shí)，使塑性和韌性得到改善，而且淬火畸變明顯減少［6］。

3 結(jié)語

（1）采用45鋼制造齒軸，傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)熱處理后，性能沒有明顯的改善，在調(diào)質(zhì)處理后的組織中，依然看到組織粗大，有各種不同形態(tài)（細(xì)網(wǎng)狀、長條狀、絮狀、塊狀、甚至嚴(yán)重魏氏組織）的鐵素體，表明所取位置的試樣沒有達(dá)到調(diào)質(zhì)處理的規(guī)范，組織不合格，性能自然未達(dá)到要求。

（2）45鋼采用亞溫淬火工藝，在740～800℃范圍內(nèi)，隨淬火溫度升高，45鋼的強(qiáng)度和硬度升高，800℃淬火后的力學(xué)性能接近于常規(guī)的840℃淬火。確定了45鋼齒軸熱處理規(guī)范：對來料進(jìn)行風(fēng)冷正火處理，然后采用（780±10）℃淬火和（550±10）℃回火的調(diào)質(zhì)處理，這樣可以滿足齒軸技術(shù)要求，而且淬火畸變明顯減小，杜絕了淬火裂紋現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］王傳雅.鋼的亞溫處理［M］.大連：大連鐵道學(xué)院出版社，1990.

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［4］馬躍新，鄒安全，鄧俊彥.40Cr鋼亞溫淬火研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2006，6（3）：87－88，142.

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