45鋼控時(shí)水浴淬火的強(qiáng)韌化

李莎

摘要：采用不同淬火方式對(duì)45鋼淬火，之后進(jìn)行不同溫度的回火處理，研究其組織和力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明，隨回火溫度的升高，馬氏體不斷分解，經(jīng)450℃回火組織為回火托氏體，550℃回火獲得回火索氏體組織;820℃水浴淬火由于冷速較慢，組織中存在少量的鐵素體。450℃回火狀態(tài)下，雖然820℃控時(shí)水浴淬火的強(qiáng)硬度比820℃完全淬火稍低，但韌性高，綜合強(qiáng)韌性考慮，45鋼經(jīng)820℃控時(shí)水浴淬火+450℃回火后的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

Abstract： Study on the change of microstructure and properties by tempering 45 steels quenched in different ways. The results show that the martensite continues to decompose with the temperature increases， the microstructure is tempered tortoise after tempering at 450℃ and tempered sorbite after tempering at 550℃; Due to the slower cooling rate， a small amount of ferrite in the microstructure with bath- water quenching at 820℃. At the state of tempered at 450℃， the hardness and the strength of time-controlled quenching at 820℃ is small lower than quenching at 820℃， but the toughness of time-controlled quenching at 820℃ is higher. Considering， it has the best comprehensive mechanical properties for 45 steel by time-controlled quenching at 820℃ and tempered at 450℃.

關(guān)鍵詞：強(qiáng)韌化;水浴淬火;回火;組織;力學(xué)性能

Key words： strengthening;quenching in water;tempering;microstructure;mechanical properties

中圖分類號(hào)：TG156.5;TG161 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0156-03

0 ?引言

45鋼是目前我國(guó)工業(yè)中使用較多的普通優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼之一，屬中碳范疇，完全淬火后組織為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織，使其強(qiáng)度較高，但塑性韌性不足，經(jīng)回火后獲得回火索氏體組織，能在一定程度上改善45鋼的塑韌性[1]，劉向東、姜魁經(jīng)等采用水浴對(duì)Q235鋼進(jìn)行水浴淬火，有效的改善了鋼的塑韌性[2-3]。

本文采用資源豐富、價(jià)格低廉、節(jié)能環(huán)保的水域作為淬火介質(zhì)，對(duì)45鋼在不同熱處理狀態(tài)下的組織和性能進(jìn)行了研究，分析各狀態(tài)下的顯微組織特征與45鋼力學(xué)性能之間的關(guān)系，從而得到最佳的熱處理工藝過(guò)程，旨在為工業(yè)生產(chǎn)提供有使用價(jià)值的理論依據(jù)。

1 ?實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)中有三中試樣：Φ10×100mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣;Φ10×15mm的金相試樣和10×10×55mm的標(biāo)準(zhǔn)V型夏比沖擊試樣，均由45鋼制作。將三種試樣分為A和B兩組，每組中每類試樣各3個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用SX2-8-10NP型箱式電阻爐對(duì)工件進(jìn)行淬火和回火;通過(guò)PIT4528-4擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣沖擊韌性，強(qiáng)度通過(guò)CMT5205型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量;試樣金相組織通過(guò)Axio Vert.A1型金相顯微鏡進(jìn)行觀察并對(duì)金相采集照片;控時(shí)水浴淬火在HH-42恒溫?cái)?shù)顯水箱中進(jìn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)以水為冷卻介質(zhì)，設(shè)置了兩組試驗(yàn)，分別為25℃水浴完全淬火（A組）和恒溫控時(shí)水浴完全淬火（B組），即加熱溫度為Ac3以上（30～50）℃進(jìn)行淬火。依據(jù)45鋼Ac1和Ac3溫度，確定淬火溫度為820℃。依據(jù)公式t=αKD[3]來(lái)確定鋼的保溫時(shí)間，碳鋼無(wú)預(yù)熱時(shí)α=1.0～1.6;K為裝爐修正系數(shù)，試樣放置一排時(shí)K=1.3～1.4;D為工件的有效厚度，本實(shí)驗(yàn)中試樣的有效厚度為10mm，故保溫時(shí)間為13～22min。選擇45鋼的淬火溫度為200℃，依據(jù)水在不同溫度下的冷卻曲線特征值[4-5]可知，在60℃的恒溫水浴中，將工件保留12～14s試樣的溫度可以降低到200℃。因此B組實(shí)驗(yàn)選擇在60℃恒溫水浴中停留14s，然后出爐空冷。再將淬火試樣分別放在370℃、450℃、550℃下進(jìn)行回火，保溫30min出爐空冷。

本文以A組為正常工藝組，與B組進(jìn)行比較，以獲得45鋼強(qiáng)韌化的最佳工藝。各工藝的具體過(guò)程如表1所示。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 淬火回火對(duì)顯微組織的影響

45鋼經(jīng)820℃淬火，不同溫度回火后的顯微組織如圖1所示，從圖中可以看出，隨回火溫度的升高，馬氏體的飽和度不斷下降，370℃回火后，只有少量的馬氏體保留原來(lái)的板條狀，析出的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定的Fe3C相。450℃回火時(shí)，碳化物析出更充分[6]，質(zhì)點(diǎn)愈大，組織為典型的回火托氏體組織;550℃回火時(shí)，α相再結(jié)晶，此時(shí)的組織是由多邊形晶粒鐵素體和粒狀滲碳體組成，是典型的回火索氏體組織[7]。

2.1.2 控時(shí)水浴淬火回火對(duì)顯微組織的影響

45鋼經(jīng)820℃恒溫水浴淬火，不同溫度回火顯微組織如圖2所示，370℃回火組織依然可以看出板條馬氏體形態(tài)，隨回火溫度的升高，板條寬度變寬，直到550℃時(shí)已完全看無(wú)板條的形態(tài)，且此時(shí)的回火索氏體晶粒是具有多邊形的晶粒。

2.2 淬火回火對(duì)45鋼性能影響

2.2.1 對(duì)鋼硬度的影響

45鋼淬火回火后的硬度變化曲線如圖3所示，結(jié)果顯示，雖然隨回火溫度的升高使得馬氏體飽和度下降[8]，兩組的硬度都逐下降，但B組的硬度整體要稍微低于A組的硬度，這可能是受淬火方式影響的結(jié)果。首先，馬氏體的硬度取決于馬氏體的過(guò)飽和度產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化[9]，60℃水浴的冷卻速度比25℃水的冷卻速度慢，使得先形成的馬氏體在后續(xù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自回火現(xiàn)象，使得碳化物的析出量增多，馬氏體的飽和度下降;其次，由于水浴冷速慢，增加了組織中殘余奧氏體的量;最后，200℃出爐空冷的冷卻速度更慢，加速了碳原子的析出[10]，這些都是B組硬度高于A組的原因。

2.2.2 火對(duì)鋼強(qiáng)度的影響

45鋼淬火不同溫度回火的強(qiáng)度如圖4所示，從圖中可以看出，隨回火溫度的升高，A組和B組的強(qiáng)度逐漸下降，主要原因是馬氏體過(guò)飽和度下降;此外，B組中存在少量鐵素體割裂了馬氏體的連續(xù)性[11]，也會(huì)使強(qiáng)度降低。兩者相比，B組強(qiáng)度下降較慢，在550℃回火時(shí)比A組強(qiáng)度高，一方面，B組冷速慢，殘余奧氏體增多[12]，雖然較多的殘余奧氏體分布于板條馬氏體之間，割裂了馬氏體的連續(xù)性，使其強(qiáng)度下降;但殘余奧氏體量增加，能緩解應(yīng)力集中和裂紋源的擴(kuò)展，一定程度上能提高鋼的強(qiáng)度和韌性;另一方面，B組中殘余奧氏隨回火溫度的升高一直在發(fā)生著轉(zhuǎn)變[6]，且回火溫度越高，轉(zhuǎn)變的百分比越高，有效的阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)。三者綜合使得B組在450-550℃之間回火時(shí)，強(qiáng)度逐漸比A組高。

2.2.3 對(duì)鋼韌性的影響

45鋼淬火不同溫度回火的韌性變化曲線如圖5所示，從圖中可以看出，韌性隨回火溫度的升高而上升，主要是馬氏體飽和度下降致使鐵原子接力增強(qiáng)，從而使得韌性增加[14]。同樣的回火溫度下，B組中較多的殘余奧氏體能有效的緩解裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)B組的自回火使馬氏體的飽和度下降程度高于A組，這些都是致使B組的韌性高于A組的原因，且兩組的沖擊韌性在370℃～450℃增加較快，在450℃～550℃緩慢增加，尤其是B組更緩慢，可能是高溫時(shí)馬氏體飽和度降低形成的鐵素體和不斷長(zhǎng)大滲碳體及持續(xù)在轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體三者綜合的結(jié)果。

3 ?總結(jié)

①45鋼經(jīng)回火后的組織變化基本一致，都是隨回火溫度的升高，滲碳體的飽和度不斷下降，450℃為典型的回火托氏體組織，550℃時(shí)α相再結(jié)晶，組織為典型的回火索氏體組織。不同的是820℃控時(shí)水浴淬火（B組）由于冷速較慢，組織中存在少量的鐵素體。

②45鋼820℃控時(shí)水浴淬火（B組）在450℃回火的強(qiáng)硬度比820℃完全淬火（A組）稍低，但韌性比A組高，綜合強(qiáng)韌性考慮，45鋼經(jīng)820℃控時(shí)水浴淬火+450℃回火后的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

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