45鋼亞溫淬火硬度不均勻原因分析

李亞紅 盛春翔 葛莉娜 王 毅

45鋼亞溫淬火硬度不均勻原因分析

李亞紅 盛春翔 葛莉娜 王 毅

（西安長(zhǎng)峰機(jī)電研究所，西安 710065）

直徑10mm的45鋼亞溫淬火后硬度不均勻，對(duì)其硬度、化學(xué)成分及顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明：45鋼淬火硬度不均勻的原因是由于淬火時(shí)工件相互疊壓，影響了工件的冷卻速度，導(dǎo)致亞溫淬火后的顯微組織中除馬氏體外還出現(xiàn)大量的塊狀鐵素體、屈氏體和索氏體。

45鋼；亞溫淬火；硬度；冷卻速度

1 引言

45鋼具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，良好切削加工性能，調(diào)質(zhì)處理后可獲得較好的綜合力學(xué)性能，是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的碳素結(jié)構(gòu)鋼。利用亞溫淬火即臨界區(qū)域的熱處理工藝可明顯改善鋼的韌性，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度和抑制可逆回火脆性，既即能賦予材料良好的綜合性能，又解決了45鋼淬火變形和開裂問題[1]。

生產(chǎn)中用直徑10mm×200mm的45鋼棒料制造沉頭螺釘，工藝流程為：下料→亞溫淬火+回火→探傷→加工成型，亞溫淬火后出現(xiàn)硬度不均勻情況。熱處理工藝流程及要求為：亞溫淬火：770℃×40min，20℃循環(huán)水中冷卻，淬火后硬度不小于48HRC；回火：420℃×60min出爐空冷，要求硬度為35～38HRC；熱處理過(guò)程要求，有效加熱區(qū)爐溫均勻性±5℃，工件單層擺放，工件從出爐到入水時(shí)間不超過(guò)5s。經(jīng)亞溫淬火后，工件出現(xiàn)硬度不均勻情況，分析硬度不均勻原因，提出解決淬火硬度不均勻的有效措施。

2 檢測(cè)分析

將所處理的工件逐件進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)位置為棒料中間位置及距兩端20mm處，分別從硬度不均勻的工件上取樣分析化學(xué)成分、金相組織，找出淬火硬度不均勻的原因。

2.1 硬度

檢測(cè)原材料及亞溫淬火工件的硬度值，結(jié)果顯示，原材料的硬度在28～29HRC之間；亞溫淬火不同工件之間的硬度值不均勻，硬度值在32～53HRC之間，主要表現(xiàn)為整根硬度高或整根硬度低；而相同工件的不同位置硬度差異也較大，硬度值在35～53HRC之間，主要表現(xiàn)一端硬度高另一端硬度低，硬度在同一根棒料不同部位分布不均勻，不符合工藝文件中要求淬火后硬度不小于48HRC的技術(shù)要求。

2.2 化學(xué)成分

選取亞溫淬火后硬度為32HRC、41HRC、53HRC的三件不同工件，及不同位置硬度為38HRC和45HRC的同一工件，分別在不同硬度處切取試樣，檢測(cè)化學(xué)成分，并與原材料化學(xué)成分相對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知，亞溫淬火后的材料和原材料的化學(xué)成分均滿足《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 699—2015）的相關(guān)要求。

表1 45鋼的化學(xué)成分 %

2.3 金相組織

從原材料、硬度不均勻的同一件工件上切取硬度為38HRC及45HRC的試樣檢測(cè)顯微組織，以及在硬度為32HRC、41HRC及53HRC的不同工件上切取試樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖1。由圖1可知，原材料的顯微組織為鐵素體+珠光體；硬度為32HRC的顯微組織為彌散分布的較多的塊狀鐵素體+少量屈氏體+較多索氏體；而硬度為38HRC的顯微組織為彌散分布的較多的塊狀鐵素體+較多屈氏體+少量索氏體；硬度為41HRC的顯微組織中彌散分布的細(xì)小塊狀的鐵素體+較多屈氏體+少量馬氏體，且鐵素體的含量較少，分散度更大；而硬度為45HRC的顯微組織為細(xì)小彌散分布的鐵素體+少量屈氏體+馬氏體；硬度為53HRC的顯微組織為彌散分布的細(xì)小鐵素體+細(xì)針狀馬氏體，并且鐵素體含量很少。

從45鋼亞溫淬火后的硬度變化可知，隨著淬火后硬度逐漸增大，鐵素體和索氏體含量逐漸減少；而屈氏體含量隨淬火硬度的增加，表現(xiàn)為先增加隨后逐漸減少；而馬氏體含量隨淬火硬度增加含量逐漸增大。

圖1 45鋼的顯微組織

3 分析與討論

表1所示的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)，且原材料、淬火硬度不均勻的不同工件及相同工件的化學(xué)成分基本一致，說(shuō)明不是混料或者材料化學(xué)成分不均造成淬火后硬度分布不均勻。而圖1的顯微組織檢測(cè)結(jié)果顯示不同硬度的工件的顯微組織不同，原材料顯微組織為鐵素體+珠光體，亞溫淬火后的顯微組織應(yīng)該為彌散分布的少量細(xì)小鐵素體+馬氏體，但不同硬度試樣的顯微組織差異很大，出現(xiàn)索氏體、屈氏體等不合格組織。

45鋼的Ac1為725℃，Ac3為780℃[2]，即在725～780℃之間加熱時(shí)，形成了奧氏體和鐵素體的高溫混合組織，隨著加熱溫度的升高，混合組織中的鐵素體量逐漸減少，形態(tài)發(fā)生改變，在770℃保溫時(shí)，珠光體和大部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體，其高溫組織就是由奧氏體和少量彌散分布的細(xì)小鐵素體組成的混合組織。在淬火冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，而鐵素體則保留在基體中，這是因?yàn)殍F素體具有較好的韌性和塑性，可降低45鋼高溫淬火開裂的幾率[3，4]。同時(shí)，亞溫淬火溫度還影響淬火組織中鐵素體的含量、形態(tài)和分布，這種變化必然影響其相應(yīng)的力學(xué)性能[5]。但圖1的45鋼亞溫淬火組織中出現(xiàn)了三種不同的混合組織，鐵素體、索氏體和屈氏體的混合組織，鐵素體、屈氏體和馬氏體的混合組織，鐵素體和馬氏體的混合組織，且鐵素體量隨著淬火硬度的增加逐漸減少，鐵素體形態(tài)從大塊狀轉(zhuǎn)變成細(xì)小彌散分布的針狀物。而混合組織出現(xiàn)塊狀鐵素體、索氏體和屈氏體，因45鋼原始組織為鐵素體和珠光體，而在亞溫淬火的工件中出現(xiàn)較多塊狀鐵素體，可能是淬火溫度太低或者保溫時(shí)間太短，使一部分鐵素體未轉(zhuǎn)變成奧氏體，在淬火過(guò)程中保留下來(lái)，或者淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間太長(zhǎng)和淬火冷卻速度太慢發(fā)生先共析鐵素體析出。同時(shí)，在45鋼亞溫淬火中出現(xiàn)的索氏體和屈氏體，應(yīng)是淬火冷卻速度較慢所致，即在高溫階段抑制先共析鐵素體析出，而在共析轉(zhuǎn)變的較低溫度由于冷速較慢生成了索氏體和屈氏體。即加熱時(shí)組織轉(zhuǎn)變不完全和冷卻時(shí)冷速慢是造成亞溫淬火組織中出現(xiàn)大塊狀鐵素體的主要原因；而冷速慢是造成亞溫淬火組織中的出現(xiàn)索氏體和屈氏體的主要原因。結(jié)合硬度、顯微組織及前幾個(gè)批次的生產(chǎn)情況分析認(rèn)為，淬火冷速慢是導(dǎo)致45鋼亞溫淬火組織中出現(xiàn)大塊狀鐵素體、索氏體和屈氏體的主要原因[6]，而淬火介質(zhì)的冷速低和工件淬火時(shí)相互疊加是形成鐵素體、索氏體和屈氏體的關(guān)鍵因素。

45鋼的連續(xù)冷卻相變點(diǎn)Ar3為751℃，Ar1為682℃[2]，即在751℃時(shí)過(guò)冷奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，同時(shí)，由圖2所示45鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線[7]可知，淬火過(guò)程中，隨著淬火冷卻速度的變化，淬火組織中可能出現(xiàn)鐵素體、珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體或者馬氏體的混合組織，因此，淬火介質(zhì)溫度高、不流動(dòng)會(huì)顯著降低冷卻速度[8]，導(dǎo)致工件淬火后硬度低，同時(shí)，介質(zhì)中雜質(zhì)多也會(huì)降低冷卻能力，在淬火過(guò)程中易出現(xiàn)軟點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)的淬火介質(zhì)為循環(huán)水，水溫在20℃左右，也未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)等，且在該淬火介質(zhì)中生產(chǎn)的其他工件硬度均滿足要求，因此，淬火介質(zhì)不是造成淬火后硬度不均勻的原因。此外，工件在淬火介質(zhì)中相互疊加導(dǎo)致冷卻速度下降，生成先共析鐵素體，從45鋼連續(xù)冷卻曲線[7]可知，600℃為C曲線轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn),即冷卻速度不小于該臨界點(diǎn)冷卻速度才能保證不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體,因45鋼淬透性差，一般水淬臨界直徑為16mm左右，當(dāng)工件互相疊加時(shí)，因疊加層數(shù)增加形成的尺寸效應(yīng)對(duì)冷卻速度影響較大，導(dǎo)致淬火后形成了不同組織，因此，淬火冷卻過(guò)程中有可能出現(xiàn)因工件疊加造成熱處理后出現(xiàn)鐵素體、索氏體及屈氏體等，進(jìn)而導(dǎo)致淬火后工件硬度分布不均勻；從出水的料框中觀察到，部分工件相互疊壓在托盤一邊，因此，工件冷卻過(guò)程相互疊加可能是造成淬火后出現(xiàn)較多塊狀鐵素體以及索氏體和屈氏體的主要原因。

45鋼亞溫淬火后顯微組織不同，必然會(huì)造成硬度差異，由于顯微組織中馬氏體硬度最高，依次分別為貝氏體、屈氏體、索氏體、珠光體、鐵素體硬度最低，同時(shí)，顯微組織中馬氏體含量越高，硬度越高，鐵素體含量越高，硬度越低，造成了亞溫淬火后因顯微組織不同出現(xiàn)硬度不均勻的現(xiàn)象。

綜上所析，工件在淬火冷卻過(guò)程中的相互疊加導(dǎo)致各個(gè)工件的冷卻速度不同，從而轉(zhuǎn)變成不同的組織，組織的不均勻性最終導(dǎo)致淬火后工件的硬度不均勻。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

淬火冷卻時(shí)工件的相互疊壓降低了工件的冷卻速度，從而導(dǎo)致淬火后工件硬度不均勻。為驗(yàn)證上述原因分析，采用兩組驗(yàn)證試驗(yàn)，保持參數(shù)和設(shè)備不變，仍按40件單層均勻放置在不銹鋼托盤中。淬火時(shí)，按圖2將工件倒入淬火料框中，一組將托盤中的工件散亂地倒入水槽的料框中，一組將工件和托盤一起倒入料框，且工件在托盤中互相疊壓，料框在循環(huán)水中上下移動(dòng)，工件冷至室溫后按照工件在料框中的疊放位置由上至下檢測(cè)硬度。工件分別檢測(cè)頭部和中間部位，檢測(cè)結(jié)果顯示，淬火后在料框中散亂放置的工件，硬度在49～53HRC之間，滿足淬火后硬度不小于48HRC的技術(shù)要求。而淬火后相互疊加的工件硬度差異較大，硬度在35～53HRC之間，具體表現(xiàn)為中間部分工件硬度較低，硬度在35～45HRC之間，上層硬度45～53HRC之間，同時(shí)，同一工件不同位置的硬度差異也較大，沒有疊壓部分硬度50～52HRC，疊壓部位硬度在35～42HRC之間。驗(yàn)證了淬火冷卻時(shí)工件的相互疊壓使各個(gè)工件的冷卻速度不同，從而導(dǎo)致淬火后工件硬度不均勻。

圖2 工件擺放方式

5 結(jié)束語(yǔ)

45鋼化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；亞溫淬火組織中出現(xiàn)的不合格組織為大塊狀鐵素體、屈氏體、索氏體等混合組織；而淬火時(shí)相互疊壓使工件冷卻速度不均勻，導(dǎo)致顯微組織中出現(xiàn)了索氏體、屈氏體以及大塊狀的鐵素體等的混合組織，是造成工件的硬度分布不均勻的主要原因。因而建議在淬火時(shí)工件分散入水，防止因相互疊壓影響淬火硬度的均勻性。

1 王傳雅，徐凡嫻. 亞溫處理對(duì)45鋼制零件的變形開裂和力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝，1993(6)：8～10

2 中國(guó)材料工程大典編輯委員會(huì).中國(guó)材料工程大典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005

3 李亞紅，鄭淑麗，朱偉強(qiáng)，等. 45鋼淬火裂紋分析及改進(jìn)[J].航天制造技術(shù)，2015(5)：50～52

4 李安銘. 預(yù)處理工藝對(duì)30CrMnSi鋼亞溫淬火后組織與性能的影響[J]. 熱加工工藝，2013,38(12)：75～77

5 王涇文. 淬火溫度對(duì)20CrMnTi鋼組織和性能的影響[J]. 熱加工工藝，2005(1)：51～52

6 蔣濤，雷新榮，吳紅丹，等. 熱處理工藝對(duì)碳鋼硬度的影響[J]. 熱加工工藝，2011，40(4)：167～168

7 中國(guó)航空材料編輯委員會(huì). 中國(guó)航空材料手冊(cè)—結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988

8 松濤，顧軍. 熱處理技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003

Reason Analysis on Uneven Hardness of 45 Steel after Intercritical Quenching

Li Yahong Sheng Chunxiang Ge Lina Wang Yi

(Xi'an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity, Xi?an 710065)

The hardness, chemical composition and microstructure of 45 steel with diameter of 10mm were analyzed on uneven intercritical quenching hardness. The results show that the uneven hardness of 45 steel is due to the superposition of workpieces during intercritical quenching, which affects the cooling rate of the orkpiece, resulting in the appearance of massive ferrite, troosite，and sorbite in the microstructure after intercritical quenching besides martensite.

45 steel；intercritical quenching；hardness；cooling rate

TG157

A

李亞紅（1982），高級(jí)工程師，材料學(xué)專業(yè)；研究方向：金屬熱處理及失效分析。

2021-01-31