中碳鉻鉬鋼熱處理工藝研究進展

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(1.安徽理工大學材料科學與工程學院 安徽 淮南 232001；2.安徽鑫宏機械有限公司 安徽 淮南 232001)

鉻鉬鋼是一種常見的結(jié)構(gòu)鋼，具有高強度、高塑性和高韌性。35CrMo和42CrMo是鉻鉬鋼的典型代表。金屬熱處理工藝是鉻鉬鋼應(yīng)用過程中常見的現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)制工藝，對鉻鉬鋼的組織與性能有重要影響。如何在熱處理工藝中協(xié)調(diào)好鉻鉬鋼組織與性能的關(guān)系，實現(xiàn)材料利用率與實踐應(yīng)用性的提高，成為材料應(yīng)用過程中關(guān)注與研究的重點[1]。35CrMo和42CrMo經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砑庸ず?，鋼的組織會發(fā)生轉(zhuǎn)變，達到預期的綜合力學性能要求，傳統(tǒng)的熱處理工藝包括正火熱處理、退火熱處理、淬火熱處理和回火熱處理。

一、正火熱處理

正火是—種改善鋼材韌性的熱處理。將鋼構(gòu)件加熱到Ac3溫度以上30～50℃后，保溫一段時間出爐空冷。主要特點是冷卻速度快于退火而低于淬火，正火時可在稍快的冷卻中使鋼材的結(jié)晶晶粒細化，不但可得到滿意的強度，而且可以明顯提高韌性(AKV值)，降低構(gòu)件的開裂傾向。

王澤華等采用正交試驗法研究正火溫度對材料力學性能的影響程度，并進行重復驗證。經(jīng)過測試，結(jié)果表明正火工序起到均勻組織、細化晶粒的作用，可以提高工件的抗拉強度和屈服強度，獲得優(yōu)良的綜合力學性能。王貞等采用不同的熱處理工藝對鐵素體-珠光體耐熱鋼的性能和組織進行了分析試驗，通過力學性能測試和光學顯微鏡觀察，結(jié)果表明正火工藝使組織分布均勻，珠光體中片狀滲碳體將鐵素體分開，有效阻止形變的發(fā)生，使材料強度和塑韌性得到提高。

二、退火熱處理

退火是一種將鋼加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，保溫以后緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝[2]。研究表明，35CrMo和42CrMo屬于亞共析鋼，故采用完全退火，將35CrMo和42CrMo加熱到Ac3以上30℃，保溫一定的時間后緩慢冷卻。工件在退火溫度下的保溫時間不僅要使工件心部達到要求的加熱溫度，而且要保證全部得到均勻化的奧氏體，完全退火的保溫時間根據(jù)工件的有效厚度來計算。35CrMo和42CrMo經(jīng)過完全退火后，原鑄件中的粗大組織得到細化，使碳析出，減少基體的含碳量，將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，從而可以消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和提高切削加工性能。

肖洋[3]等觀察42CrMo圓鋼熱軋以及退火后顯微組織，分析造成硬度偏高的關(guān)鍵原因，完全退火后顯微組織更加均勻，更趨于平衡組織，試樣的退火硬度值為187HB，滿足國標規(guī)定，為保證鋼材具有良好的綜合性能，采用完全退火工藝。峰山等分析42CrMo鋼的成分并采用退火熱處理工藝進行預處理，將試樣加熱到950℃，保溫1.0h后隨爐冷卻，有效消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，改善成分和組織的不均勻性和調(diào)整鋼的力學性能和工藝性能，為后序的淬火工藝做好組織性準備。

三、淬火熱處理

淬火是一種將鋼加熱到高溫下保溫，使鋼的組織處于奧氏體狀態(tài)，然后驟冷使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而大幅度提高鋼硬度的熱處理方法。35CrMo和42CrMo的淬火溫度在A3相變點以上50℃-100℃。淬火溫度過低，馬氏體轉(zhuǎn)變不均勻，得不到正常淬火組織；淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗大化，發(fā)生氧化脫碳，降低鋼的硬度和耐磨性。研究表明，最佳淬火溫度應(yīng)根據(jù)淬火鋼成分的不同而確定。

同時，淬火加熱時間也很重要，加熱時間過短或過長會造成與加熱溫度不合適同樣的后果。一般情況下，35CrMo和42CrMo的淬火加熱時的升溫速度不高于100℃/h，以獲得均勻的奧氏體組織。保溫時間根據(jù)有效截面厚度每25 mm/h 來計算，以完成奧氏體轉(zhuǎn)變、成分均勻化以及析出二次碳化物。35CrMo和42CrMo的淬火溫度均在800℃以上，屬于高溫淬火。故35CrMo和42CrMo采用油冷，在馬氏體轉(zhuǎn)變起始點以下時，冷卻速度盡量緩慢，確保奧氏體不達到分解的冷卻速度，而達到馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度，以減少組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力。

劉軍剛[4]等對厚規(guī)格35CrMo鋼板進行熱處理加工，在經(jīng)過不同溫度的淬火后，得出鋼在850 ℃淬火時，奧氏體化完全的結(jié)果，奧氏體中含碳提高，完善淬火性能，形成了馬氏體和貝氏體，由硬度測試結(jié)果可知，淬火加熱溫度高，淬火組織硬度大，滿足實際生產(chǎn)要求。Abbaszadeh等超高強度鉻鉬鋼在910℃奧氏體化40分鐘后，采用三種淬火方式，經(jīng)過顯微組織檢測后，在330℃的鹽浴中淬火得到下貝氏體，由于原始奧氏體晶粒被下貝氏體分隔而導致強度增加，故形成下貝氏體的樣品擁有良好的屈服強度，極限拉伸強度，伸長率和夏比V型缺口沖擊能。

四、回火熱處理

回火是指將淬火鋼在低于共析溫度下加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當?shù)姆绞嚼鋮s到室溫的工藝過程[2]。經(jīng)過回火，碳化物從淬火鋼中的馬氏體中析出，硬度高和脆性大的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變成韌性良好的回火組織。

楊棟杰[5]對35CrMo鋼熱處理工藝進行了優(yōu)化，最后將其最優(yōu)工藝制度定為850℃保溫50 min(油淬)，再進行540℃回火保溫40 min(水冷)。在此熱處理工藝制度下，回火索氏體晶粒度達到9級，塑性韌性良好，性能穩(wěn)定。陳俊丹等分析了不同的回火溫度對淬火后的42CrMo鋼沖擊韌性的影響，得出在500-600℃之間回火后，隨著回火溫度的升高，沖擊韌性顯著提高的結(jié)果。高溫回火后的組織為回火索氏體，滲碳體從片層狀逐漸轉(zhuǎn)化為顆粒狀彌散分布，馬氏體回火逐漸充分，基體逐漸軟化，故沖擊韌性顯著提高。

五、結(jié)語

中碳鉻鉬鋼是一種強度高、淬透性好、韌性好且無回火脆性的合金結(jié)構(gòu)鋼，通過不同的熱處理工藝加工，控制熔融碳數(shù)量及非均勻奧氏體化域的碳組分變化，中碳鉻鉬合金鋼可以更好的發(fā)揮其性能，最終提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度延長機器的使用壽命，在工業(yè)上實現(xiàn)使用價值。