45鋼高溫快速回火可行性分析

王吉洪

摘 要：本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，觀察了45鋼高溫快速回火和常規(guī)回火工藝的晶相組織和晶粒形態(tài)，并測(cè)量出了其各狀態(tài)下的硬度值，對(duì)比了各種條件下回火的效果和能耗，分析和論證了45鋼高溫快速回火的可行性。

關(guān)鍵詞：45鋼；常規(guī)回火；高溫快速回火；索氏體

1.引言

45號(hào)鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，具有良好的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，化學(xué)成分為：C：0.42～0.50%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.50～0.80%，Cr≤0.25%，我公司產(chǎn)品中有大量零部件材料使用45鋼，這些零件使用工況復(fù)雜，承受著壓縮、拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)或彎曲應(yīng)力，須具有一定的強(qiáng)度和硬度及良好的塑性和韌性。因此很多45鋼都要用到調(diào)質(zhì)處理來(lái)得到優(yōu)良綜合機(jī)械性能的回火索氏體組織以滿(mǎn)足使用要求。

熱處理作業(yè)需消耗大量的電能，如何在滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，尋求節(jié)能的途徑以降低熱處理過(guò)程生產(chǎn)成本是我們需不斷探究的課題，我公司當(dāng)前淬火工藝為常規(guī)回火處理，生產(chǎn)中為提高設(shè)備利用率常采用積累一定數(shù)量淬火件，一起裝爐進(jìn)行回火，回火時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能耗大而且可能導(dǎo)致淬火件不能馬上進(jìn)行回火而產(chǎn)生裂紋等缺陷。本文用實(shí)驗(yàn)論證高溫快速回火的可行性，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：型號(hào)分別為x-75和x-105的箱式電阻爐，布洛維硬度計(jì)，leica金相顯微鏡

實(shí)驗(yàn)材料：Φ50的45號(hào)圓鋼

回火時(shí)間，通常指均勻燒透所用的時(shí)間，從工件入爐后爐溫升至回火溫度開(kāi)始計(jì)算?？梢詤⒖家韵陆?jīng)驗(yàn)公式：

本實(shí)驗(yàn)采用105kw的箱式電阻爐按常規(guī)淬火工藝進(jìn)行淬火，用75kw的箱式電阻爐分別在560℃、650℃和750℃下以不同的保溫時(shí)間進(jìn)行回火，在爐溫升到300℃時(shí)裝入圓料，按照已確定的加工工藝和保溫時(shí)間，來(lái)完成本次試驗(yàn)。

3.分析

3.1理論分析

鋼淬火后的組織是馬氏體和部分殘留奧氏體，它們都處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在回火過(guò)程中，會(huì)隨著回火溫度的升高發(fā)生組織變化而引起力學(xué)性能的改變?；鼗饡r(shí)的組織變化主要分四個(gè)階段進(jìn)行：

①.80～250℃溫度區(qū)間，馬氏體分解。

②.200～300℃溫度區(qū)間，馬氏體繼續(xù)分解，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體，但馬氏體很快被被回火成為回火馬氏體。

③.300～400℃溫度區(qū)間，馬氏體分解時(shí)以滲碳體的形式析出過(guò)飽和的碳。當(dāng)α固溶體中碳接近平衡狀態(tài)時(shí)，鐵素體恢復(fù)，晶格的扭曲基本消失，內(nèi)應(yīng)力隨之消除。

④.400℃以上溫度區(qū)間，孿晶全部消失，α相發(fā)生回復(fù)過(guò)程。鋼中碳化物通過(guò)減小表面積來(lái)降低能量，聚集成球狀。

⑤.600℃左右時(shí)，α相發(fā)生再結(jié)晶過(guò)程，由于再結(jié)晶結(jié)果，使α相晶粒長(zhǎng)大，馬氏體針狀形態(tài)消失，形成多邊形的鐵素體。此時(shí)滲碳體也聚集成較大的顆粒。這種多邊形鐵素體和粒狀滲碳體的機(jī)械混合物，稱(chēng)為回火索氏體。

以上所有的回火轉(zhuǎn)變都可以在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。在該范圍內(nèi)，在低溫度長(zhǎng)時(shí)間與高溫度短時(shí)間發(fā)生的轉(zhuǎn)變可以有相同的效果。高溫快速回火就是基于這個(gè)原理提出的。馬氏體分解需要很大的激活能，據(jù)計(jì)算，它的分解激活能是4.1868x33000 J/mol。高溫快速回火時(shí)，回火時(shí)間短，回火應(yīng)快速進(jìn)行以使激活能高的馬氏體在高溫下快速分解，從而獲得較好的力學(xué)性能。

3.2實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)常規(guī)高溫回火、650℃和750℃快速回火，分別在其Φ50圓料上打硬度，取其值，得到的洛氏硬度（HRC）數(shù)據(jù)如下表1所示：

淬火鋼在回火時(shí)硬度變化的總趨勢(shì)是，隨著回火溫度的升高，鋼的硬度不斷下降。硬度在HRC20-35的范圍內(nèi)，淬火加回火產(chǎn)物是回火索氏體；其直接分解產(chǎn)物是細(xì)珠光體，即索氏體。由上表可知，在560℃下回火的45號(hào)Φ 50圓鋼，保溫時(shí)間為210min， 所得硬度值為 HRC 20-25；在650℃下進(jìn)行回火的料，保溫時(shí)間為25min，所得的硬度值為HRC 22-26；而在750℃下進(jìn)行回火的料，其保溫時(shí)間僅為15min，就可達(dá)到硬度值HRC 18-22。符合所要生產(chǎn)加工要求。

回火過(guò)程中組織的變化就是馬氏體的分解、滲碳體的形成和變化、殘留奧氏體的分解及α相的恢復(fù)及再結(jié)晶等四個(gè)部分，除殘留奧氏體的分解外，回火過(guò)程的轉(zhuǎn)變實(shí)際上就是形成回火馬氏體、托氏體、和索氏體。傳統(tǒng)回火工藝和高溫快速回火都包括這三個(gè)部分?；鼗饡r(shí)，鋼件碳化物的轉(zhuǎn)變，也是通過(guò)形核和長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行的。通過(guò)對(duì)比各晶相圖觀察發(fā)現(xiàn)，其各溫度下回火的晶相沒(méi)有顯著的變化，所以常規(guī)高溫回火、650℃和750℃高溫快速回火所能達(dá)到的回火效果基本是相同的，且穩(wěn)定的。

4.結(jié)果討論

常規(guī)回火與高溫快速回火耗電量的比較：

實(shí)際生產(chǎn)中，由于裝爐量大，燒透時(shí)間長(zhǎng)，為了使溫度均勻，一般保溫時(shí)間都在4小時(shí)以上，但本實(shí)驗(yàn)中只有少量實(shí)驗(yàn)材料，所以在計(jì)算用電量的時(shí)候應(yīng)該同理論計(jì)算時(shí)間相比較，下面計(jì)算按通常回火時(shí)使用X-75的功率進(jìn)行比較，由表2所示。

1）.常規(guī)回火時(shí)：開(kāi)爐時(shí)間等于理論計(jì)算的保溫加上隨爐升溫的時(shí)間，約為5h；耗電量=開(kāi)爐時(shí)間*功率=5h*75kw =375kwh

2）.650℃回火時(shí)：加上爐子從進(jìn)爐溫度300℃升到650℃所用及保溫時(shí)間，開(kāi)爐時(shí)間等于120min，約為2h；

耗電量=開(kāi)爐時(shí)間*功率=2h*75kw =150kwh

耗電下降率=（375-150）/375=60%

3）.750℃回火時(shí)；從進(jìn)爐溫度300℃升到750℃及保溫所用時(shí)間，開(kāi)爐時(shí)間等于110min，約為1.8h。

高溫快速回火無(wú)脆化現(xiàn)象：回火脆性分為第一類(lèi)回火脆性和第二類(lèi)回火脆性。避免第一類(lèi)回火脆性的方法是避開(kāi)產(chǎn)生回火脆性溫度（200～350℃）進(jìn)行回火；避免第二類(lèi)回火脆性的方法是回火后快冷。高溫快速回火的溫度遠(yuǎn)高于此溫度，又因?yàn)榧訜釙r(shí)間短，冷卻速度快，避開(kāi)了產(chǎn)生回火脆性的條件，因此就沒(méi)有回火脆性。

高溫快速回火的局限：淬火時(shí)由于鋼的淬透性的差別，使其尺寸效應(yīng)成為生產(chǎn)上的問(wèn)題。鋼產(chǎn)生尺寸效應(yīng)有兩方面的原因：一是加熱和冷卻時(shí)工件的溫度不均勻，這是傳熱尺寸效應(yīng)；二是鋼本身相變過(guò)程的速度問(wèn)題。如果回火時(shí)間長(zhǎng)，尺寸效應(yīng)不明顯，但快速回火尺寸效應(yīng)不可忽視。

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和金相照片的綜合分析，高溫快速回火和常規(guī)回火工藝的晶相組織形態(tài)變化不大，并且硬度值相近，且各高溫回火效果相同，能達(dá)到生產(chǎn)加工工藝要求，所以高溫快速回火是可行的。

對(duì)比常規(guī)回火與高溫快速回火耗電量得出，在650℃和750℃快速回火的耗電明顯下降，且其耗電下降率分別為60%和64%，其顯著的節(jié)電效果能在用電緊張的生產(chǎn)中發(fā)揮重要意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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