淺析熱處理工藝對45鋼組織和性能的影響

趙浩然 林宗德

摘 ?要：為了明確熱處理工藝對45鋼的影響，本文研究了退火，正火，淬火，低溫回火、中溫回火和高溫?zé)崽幚淼葘?5鋼顯微組織及布氏硬度的影響規(guī)律，結(jié)果表明：碳含量是受熱處理影響最顯著 45鋼的硬度和強度隨碳含量的增加而增加，但塑性和韌性降低。

關(guān)鍵詞：熱處理工藝;金相組織;硬度;45鋼

中圖分類號：TG161???文獻標識碼：A????文章編號：2096-6903（2019）04-0000-00

1 緒論

隨著工業(yè)化進程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量的增加，對不同類型鋼的需求及其結(jié)構(gòu)性能要求也越來越高。目前45鋼是結(jié)構(gòu)用鋼中使用最廣泛的一種鋼。中碳優(yōu)質(zhì)鋼由于其淬透性差，因此在正常條件下需對其進行淬火和回火以此提高其機械性能。但其冷塑性適中，退火和正火類型優(yōu)于淬火和回火。其適用于生產(chǎn)高強度零件，例如齒輪、軸、活塞銷以及機加工零件、鍛造零件和沖壓零件等不受大應(yīng)力作用的零件。

45鋼是一種主要用于機械零件生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，故又稱機械零件用鋼。45鋼的橫溫通常高于AC3，熱處理后具有良好的力學(xué)性能。由于其重復(fù)性較低，斷面較大，因此不適用于對工件要求較高機械 。為了研究熱處理對45鋼組織和布氏硬度的影響，對45鋼進行了組織檢測和布氏硬度測試，測定了熱處理過程中的退火，正火，淬火，低溫回火，中溫回火和高溫回火熱處理工藝。對獲得的數(shù)據(jù)進分析，得出熱處理過程對45鋼結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。

2 熱處理工藝

2.1熱處理工藝概念

熱處理是將固體金屬加熱到一定溫度以保證所需的絕緣效果，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫以改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而獲得所需性能的過程。鋼的特性不同于材料的微觀結(jié)構(gòu)，在高溫下由于分子運動強烈，鋼的分子分布相對均勻。在奧氏體化溫度下熱處理一定時間。首先將材料成分均質(zhì)化，然后根據(jù)相應(yīng)的熱處理獲得所需的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過各種熱處理工藝后，當(dāng)溫度緩慢降低時，鋼鐵材料中鐵和碳的分布受到影響，材料的成分分布不均勻，產(chǎn)生了不同的顯微組織。從均勻分布到不均勻分布，需要時間和擴散速率，但是通常溫度越高，擴散速率越高。然后，通過調(diào)整時間和溫度，可以有選擇地控制元素的不均勻分布以獲得不同的組合。實際上，熱處理主要就是調(diào)節(jié)時間和溫度。

2.2熱處理工藝特點

熱處理主要包括退火，正火，淬火和回火。

（1）退火：退火主要分為全退火，等溫退火，球形退火，擴散退火，重結(jié)晶退火以及應(yīng)力消除退火。當(dāng)材料處于完全退火期間，要鋼件或鋼球從AC的溫度再加熱20到30攝氏度。一段時間后，鋼結(jié)構(gòu)變成完全奧氏體，然后緩慢冷卻（在爐中冷卻）或埋在沙子和石灰中。溫度低于500-600度，并通過空氣冷卻，通過相變獲得珠光體和鐵素體結(jié)構(gòu)。

（2）正火：正火原理與退火原理相似，唯一的區(qū)別是經(jīng)過一定時間的空氣冷卻后，珠光體更細。退火鋼的冷卻速率要低于正火鋼。與普通鋼相比，它具有更好的組織結(jié)構(gòu)，更多的珠光體分散性和更少的鐵素體，因此強度和硬度比退火鋼高。

（3）淬火：淬火在完全奧氏體化后淬火以獲得馬氏體或殼，以適當(dāng)?shù)姆绞娇焖倮鋮s，以防止所有奧氏體分解，并在一定時間內(nèi)超過Ac3或Ac1。通過利用馬氏體的熱處理工藝，可以將鋼到加熱到特定溫度。淬火有利于提高鋼的強度和硬度，同時還可以增加剛才的耐磨性。

（4）回火：回火時間已經(jīng)冷卻的鋼材加熱到比Ac1低的溫度，并持續(xù)一段時間，隨后再把鋼材冷卻到室溫。

根據(jù)回火的溫度，可將回火分為高溫回火，中溫回火和低溫回火。淬火和高溫回火（例如此處為600°C）也稱為淬火和回火。此時，固溶體已經(jīng)回收并重結(jié)晶，同時滲碳顆粒繼續(xù)生長，這將有助于大量鐵素體和球形滲碳體混合結(jié)構(gòu)的生成，因此可以獲得強度、可塑性和韌性的綜合機械性能。

3 實驗過程

3.1實驗方案

對45鋼的6個樣品進行了熱處理，在熱處理前取了1個樣品，以觀察其原始硬度和顯微組織。隨后，對45鋼樣品進行退火，正火，淬火，低回火，中回火和高溫回火。加熱溫度、加熱速率、加熱時間以及冷卻時間在熱處理過程中嚴格把控。熱處理后，使用布氏硬度分別測試試塊的每個部分，以觀察每個熱處理樣品的金相結(jié)構(gòu)，得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.2實驗材料與設(shè)備

本實驗中使用的材料是45鋼，一種高質(zhì)量的碳素結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)結(jié)構(gòu)示于下表1：

3.3 實驗步驟

熱處理前，首先確定45鋼的兩個重要臨界值。 Ac1為724°C，Ac3為780°C。實驗步驟如下：實驗前，準備65種45鋼（相同尺寸）。采集樣品，用砂紙研磨氧化皮革和脫碳層表面。粗磨一會后，用拋光機拋光，在拋光的試塊表面滴幾滴4%的硝酸溶液，待停留3-5秒后，用清水沖洗并用吸收紙干燥，然后用金相顯微鏡觀察。保存3-5張金屬結(jié)構(gòu)照片，并進行兩次25 g布氏硬度測試。

樣品干凈整潔，涂有防裂漆，開始對每個樣品進行熱處理。45鋼的溫度為840攝氏度，保溫時間為30分鐘，但是退火，正火和淬火加熱溫度和保溫時間是固定的，因此可以將其同時放入加熱爐中。保溫后，將退火爐冷卻，正火冷卻，然后將淬火放入冷水中。研磨、拋光觀察金屬結(jié)構(gòu)。退火，正火，淬火后測量試塊的硬度。

對45鋼回火熱處理和淬火處理主要采用低溫回火，中溫回火以及高溫回火熱處理，其分別為200℃、400℃和600℃。回火后在回火試驗塊上進行表面磨削、研磨、金屬組織觀察、硬度測量，記錄試驗數(shù)據(jù)。

3.4實驗結(jié)果

通過測量45鋼每個熱處理過程的硬度，獲得以下數(shù)據(jù)（如表2）：

4 熱處理工藝對45鋼的組織與性能分析

4.1 45鋼在退火后組織與性能分析

從上述表2及圖1和2來看，45鋼的碳含量從0.0218%到077%屬于亞共熔鋼。機械性質(zhì)取決于碳含量。當(dāng)碳含量極低時，鋼結(jié)構(gòu)主要是鐵氧體和少數(shù)珠光體。初級鋼具有良好的強度、低硬度和延展性。減少主體、增加珠光體，體會鋼的強度和硬度，降低塑性韌性。

從實驗結(jié)果可以看出，退火的主要功能和目的是顆粒細化，均勻結(jié)構(gòu)，減小硬度，改進鋼切削類型和去除內(nèi)應(yīng)力。

4.2 45鋼在正火后組織與性能分析

從表2分析得，淬火后淬硬鋼的硬度高于退火鋼的硬度，因為冷卻速度比正火鋼快，退火組織較薄。此外，由于鐵和鐵元素的大量分散，其強度和硬度均高于燒結(jié)鋼。如圖3，45鋼經(jīng)正火處理后，由珠光體和鐵素體（白色斑點）組成，呈網(wǎng)狀分布，顆粒較厚，分布不均勻。

4.3 45鋼在淬火后組織與性能分析

從表2可以看出，回火后鋼的硬度大幅度提高。退火可以明顯提高鋼的強度和硬度。利用馬氏體將過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織是退火最重要的目的。如圖4所示，馬氏體或貝氏體組織是45鋼淬火后獲得的組織，是馬氏體中鐵素體網(wǎng)絡(luò)分布的一部分。

4.4 45鋼在回火后組織與性能分析

45鋼的低溫、中溫、高溫回火后的金相組織如圖5圖6圖7所示：

從表2可以看出，淬火的低溫回火鋼的硬度低于純淬火的鋼。這是因為在這個溫度下，馬氏體分解出與之保持一致的關(guān)系，馬氏體的過飽和度降低，晶格減小，內(nèi)部應(yīng)力顯著降低，但是淬火后的高硬度保持不變。

對鋼材進行中溫度淬火的硬度要低于低溫淬火鋼材的硬度。在這個階段，碳析出物和過飽和固溶體變成鐵氧體，并且退火的馬氏體滲碳體變?yōu)榱顫B碳體。淬火的高溫回火后硬度低于中間溫度。在這個階段，固溶體恢復(fù)并再結(jié)晶，硒鐵礦顆粒繼續(xù)生長，最終形成了塊狀鐵氧體和球形硒鐵礦的混合結(jié)構(gòu)，這也就是常說的的回火索氏體。

淬火+低溫回火的目的是消除或降低淬火時的內(nèi)部應(yīng)力和脆性。冷卻過程中的內(nèi)部應(yīng)力基本上可以通過在中溫冷卻和回火來消除，并且具有更高的彈性極限和韌性。低溫回火獲得的優(yōu)良機械性能，如強結(jié)構(gòu)，高硬度，塑性，韌性等。

4.5?45低硬度和不均勻溶液的鋼

將上述實驗與45鋼的熱處理相結(jié)合，提出了與45鋼低硬度和不均勻硬度有關(guān)的預(yù)防措施。

4.5.1低硬度的預(yù)防措施

根據(jù)45鋼熱處理工藝的技術(shù)要求，需要正確理解淬火回火過程的溫度，時間和其他參數(shù)，并根據(jù)鍛造品的技術(shù)要求選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。簡而言之，要熟悉熔爐和設(shè)備的性能，掌握淬火后工件的誤差值和硬度值，使工件的耐疲勞性和綜合機械性能滿足要求。

4.5.2硬度不均的預(yù)防措施

第一是選擇合適的鍛造和退火工藝，保證工件良好的預(yù)熱組織。第二徹底清除銹斑和氧化物并在加熱過程中注意保護。盡可能使用真空加熱或保護性氣氛加熱。如果在鹽浴中加熱工件，則脫碳效果良好。第三是適當(dāng)設(shè)計工件的淬火和回火工藝規(guī)格。第四必須基于工件本身特點，分析技術(shù)要求，例如合理選擇冷卻介質(zhì)和冷卻方法。

5 結(jié)論

（1）回火溫度越高，時間越長，可塑性和韌性指數(shù)越高。回火溫度和材料返回回火溫度成正比，回火溫度越高，材料返回回火溫度的速度越快。當(dāng)回火溫度處于較高的狀態(tài)下，材料的硬度和強度會降低，但此時塑性和韌性逐漸提高。

（2）碳鋼的組織和成分決定其機械性能，熱處理工藝決定了碳鋼的結(jié)構(gòu)，當(dāng)碳含量處于較低狀態(tài)時，鐵素體和少量的珠光體是鋼的主要結(jié)構(gòu)。因此，鋼的強度和硬度低，塑性韌性良好。當(dāng)碳含量開始增加時，珠光體也會逐漸增加，但鋼中的鐵素體會減少，因此鋼的強度和硬度會增加，但是可塑性和韌性會降低。

（3）減少硬化鋼的內(nèi)部應(yīng)力和脆性是回火最主要目的，保持高硬度和耐磨耗性，防止使用中的裂紋和損傷。

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收稿日期：2019-07-13

作者簡介：趙浩然（1999—），男，福建福州人，本科，研究方向：材料成型。

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Properties of 45 Steel

ZHAO Haoran ，LIN Zongde

（Minnan University of Science and Technology，Shishi ?Fujian ?362700）

Abstract：In order to clarify the effect of heat treatment process on the microstructure and Brinell hardness of 45 steel， the effects of annealing， normalizing， quenching， low temperature tempering， medium temperature tempering and high temperature heat treatment on the microstructure and Brinell hardness of 45 steel were studied， the results show that the hardness and strength of 45 steel increase with the increase of carbon content， but the plasticity and toughness decrease.

Key words：heat treatment process;metallographic structure;hardness;45 steel