45鋼的熱處理及表層改性

趙步青，徐利建，胡會峰，呂藍冰

1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243121

2.金華市東山機械廠 浙江金華 321000

3.常州天山重工機械有限公司 江蘇常州 213032

1 序言

45鋼是應(yīng)用最廣泛的鋼種之一，幾乎所有的熱處理工作者都和它打過交道，大多數(shù)同仁認為45鋼是很難纏的“對手”，水淬易裂，油淬不硬。該鋼主要用于制造各種鍛件，大鍛件在正火狀態(tài)下使用，也可調(diào)質(zhì)；小鍛件基本施以調(diào)質(zhì)。根據(jù)需要，淬火后也可低溫或中溫回火。

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和外向型經(jīng)濟的需求，45鋼不僅用來制造工程上的各種構(gòu)件，而且可以制造低檔模具，以及慢速切削絲錐、板牙等刀具，還可以用來制造鋼絲鉗、扳手、起子、榔頭等各種五金工具，以及各種園林工具和農(nóng)機工具。以下簡介45鋼熱處理工藝及表層改性方面的工藝，供業(yè)界同仁參考。

2 45鋼的化學(xué)成分、熱處理臨界點及通用工藝

45鋼的化學(xué)成分見表1，熱處理臨界點見表2。

表1 45鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 45鋼的熱處理臨界點 （℃）

45鋼的通用熱處理工藝如下：

1）毛坯軟化處理：740~760℃×4~6h，以50~100℃/h的冷卻速度，爐冷至600℃出爐空冷。

2）正火：850~870℃加熱，出爐后空冷。

3）調(diào)質(zhì)：840~860℃加熱淬火，450~550℃回火。

4）淬火+回火：820~840℃加熱淬火，根據(jù)實際情況，選擇合適的冷卻劑；回火工藝根據(jù)工件要求的力學(xué)性能而定。

3 45鋼的沸水淬火

45鋼的淬透性較差，自來水冷卻時的臨界淬火直徑為10~15mm，鹽水冷卻時也不超過25mm。工件尺寸若超過臨界淬火直徑，則調(diào)質(zhì)效果差，尺寸越大效果越差。因此，45鋼的大截面工件調(diào)質(zhì)處理，沿截面不會得到均勻的組織，達不到調(diào)質(zhì)的效果。為了改善這一狀況，一般采用提高加熱溫度或選用劇烈的冷卻介質(zhì)，前者會引起氧化脫碳，且能耗大，后者易引起變形開裂。因此，對于超過臨界直徑淬火的工件，往往采用正火作為最終處理，但正火除冷卻速度較慢外，冷卻速度還要受到環(huán)境、氣溫、溫度的影響，使硬度無法控制，正火的質(zhì)量難以保證。

國內(nèi)有人研究用沸水淬火代替調(diào)質(zhì)的熱處理工藝，獲得了成功，現(xiàn)簡介如下：試驗用45鋼的wC為0.46%，箱式爐加熱，試樣規(guī)格為φ50mm×150mm、φ70mm×210mm、φ80mm×210mm，加熱溫度為840℃，采用100℃沸水冷卻，在其1/2長度橫截面上，沿3條過中心且均勻分布的直線測其硬度，結(jié)果見表3。

1）大截面的45鋼沸水淬火，沿整個截面的硬度和組織比較均勻。由于沸水始終保持在100℃，因而力學(xué)性能不受環(huán)境和季節(jié)的影響。

2）45鋼沸水淬火可代替普通正火，作為工件的最終熱處理，正火加熱溫度可降低15~20℃，且綜合力學(xué)性能佳。

3）適當選擇冷卻水溫，45鋼大截面工件的沸水淬火完全可以代替調(diào)質(zhì)處理，而且可以縮短生產(chǎn)周期、節(jié)能增效。

表3 45鋼沸水淬火后硬度分布

4 45鋼的淬火冷卻

現(xiàn)以φ12.5m m×60m m的45鋼舉例，wC為0.46%，加熱溫度為840℃，論述其在不同介質(zhì)中的淬火結(jié)果。

（1）水淬 從840℃保溫結(jié)束淬水時，由于冷卻速度較快（約540℃/s），珠光體和鐵素體轉(zhuǎn)變都被抑制了，直到300℃時過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，這種組織的性能：Rm≥1100MPa、ReL≥720 MPa、A≥7%、Z≥15%、硬度52~60HRC。

（2）油淬 從840℃奧氏體化后立即淬入N32油中，由于冷卻速度緩慢（約240℃/s），開始階段，過冷奧氏體并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，直到450℃，部分奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體，冷至300℃左右，奧氏體分解停止，繼續(xù)冷卻時其余部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。室溫下的組織為＜20%的貝氏體+80%的馬氏體+少量的殘留奧氏體。

（3）空冷 過冷奧氏體冷到700℃左右開始析出鐵素體，到650℃鐵素體析出停止，殘留奧氏體開始轉(zhuǎn)變成珠光體，到600℃左右則全部轉(zhuǎn)變成珠光體，室溫下的組織為30%鐵素體+70%珠光體，硬度220~250HBW。

（4）其他淬火劑 為了充分挖掘45鋼潛力，人們從自家的產(chǎn)品出發(fā)，開發(fā)和引進了不少新的淬火冷卻介質(zhì)，比如：兩硝水溶液、PAG淬火劑、三硝淬火劑、氯化鈣水溶液、碳酸鈉水溶液、有機溶劑和無機水基淬火冷卻介質(zhì)等。

5 45鋼淬火罅裂不容忽視

45鋼小件按常規(guī)工藝淬火，時有“細、短、淺、直”的瓦狀裂紋發(fā)生，這種裂紋深度大約是被淬工件直徑的1%~10%，若工件表面粗糙或有劃痕，也可能出現(xiàn)粗大裂紋。這種有規(guī)律的“細、短、淺、直”裂紋特征就是所謂的罅裂。

多少年來，人們對罅裂的本質(zhì)并未認識清楚，但對其研究從未停止腳步。研究表明，罅裂與原材料并無直接關(guān)系，而與工件的尺寸是否處于易裂的危險尺寸有關(guān)，同時鋼材的實際含碳量也有影響。國內(nèi)同行做了大量的工作，發(fā)表了很有見地的實用文章[1]，筆者將它繪制成圖1。

圖1 45鋼水淬裂紋率與工件截面尺寸的關(guān)系

從圖1可以看出，罅裂始于5mm，并隨著工件截面尺寸的增加而增多，其峰值在6~8mm，7mm則幾乎淬裂率100%，自9mm以后罅裂趨于平緩，12mm則基本不裂。此結(jié)論被國內(nèi)廣大的同仁所認同。為什么會出現(xiàn)這個特殊的“危險淬裂尺寸”呢？比較一致的看法是，45鋼工件在完全淬透的情況下，表面應(yīng)力為拉應(yīng)力，當該拉應(yīng)力超過材料的斷裂強度時，裂紋從表面萌生，φ5mm~φ8mm工件易產(chǎn)生裂紋正是該原因所致。工件直徑≤4mm時，由于截面較小，表面與心部溫差小，淬火的拉應(yīng)力也小，表面拉應(yīng)力未超過材料的斷裂強度，故不易產(chǎn)生裂紋；直徑＞8mm時，雖然因截面增加使淬火殘余應(yīng)力增加，但拉應(yīng)力峰值遠離工件表面，此時的表面拉應(yīng)力仍未超過材料的斷裂強度。如工件的尺寸繼續(xù)增加，超過了鋼的臨界淬火直徑，在未淬透的情況下，工件表面呈壓應(yīng)力[2]，因此更不易淬裂。

45鋼淬水易裂還有一個重要的原因是臨界點的突變。制訂熱處理工藝的主要依據(jù)是根據(jù)其化學(xué)成分和臨界點，而鋼的臨界點主要由碳含量確定。國標45鋼的碳含量范圍過大，實測其臨界點與手冊中名義臨界點差別很大，這給制訂熱處理工藝帶來很大困難。

圖2是根據(jù)實際情況繪制的曲線[3]。從圖2可以看出，鋼的臨界點Ac1、Ar1并不隨著鋼的碳含量升高而平緩下降，而是在一個很小的區(qū)間存在著一個較大幅度的升降變化，即臨界點的突變，如wC在0.45%~0.50%的45鋼的Ac3點出現(xiàn)極低值，大約760℃，仍按書上的780℃+50℃制訂淬火工藝，顯然要出問題。

如何解決危險尺寸淬火開裂？現(xiàn)在已有各種措施：

1）亞溫淬火。即將原淬火溫度從原830~840℃降至780℃。

2）在淬火冷卻介質(zhì)上做文章。國內(nèi)不少同仁，根據(jù)自家的產(chǎn)品，自配CaCl2、Na2CO3、兩硝、三硝水溶液，或選購南京科潤、遼寧和興等公司的產(chǎn)品，不僅解決了開裂難題，而且節(jié)能環(huán)保、增效，真是一舉多得。

圖2 中碳鋼的臨界點突變

6 45鋼的表面處理及化學(xué)熱處理

6.1 45鋼小件的發(fā)黑處理

發(fā)黑液配方：NaOH（600~700g/L）+NaNO2（150~250g/L）。工作溫度138~140℃，發(fā)黑時間45~60min。

發(fā)黑質(zhì)量檢查：

1）外觀檢查。置于日光燈下，工件離肉眼300mm觀察，顏色應(yīng)為均勻的黑色，不得有明顯的花斑。

2）致密度檢查。在標準溶液 CuSO4·5H2O中浸漬1min（室溫），無Cu析出即判合格。

3）防銹能力檢查。將發(fā)黑件置于20℃、30g/L的NaCl水溶液中10min取出，在20℃以上的空氣中暴露2h，目測，完全無銹為合格。

4）抗蝕能力檢查。將發(fā)黑件放在20℃、50g/L的草酸溶液中8min取出，表面顏色為褐色、暗灰色、暗綠色均判合格。

5）牢固性檢查。用手輕搓20個來回?zé)o擦傷即為合格。

6.2 45鋼制工件的磷化處理

20世紀90年代，浙江工具廠等單位為外商生產(chǎn)了大量的45鋼制絲錐、板牙，淬火、回火后需磷化處理，其工藝為[4]：

30~35g/L的磷酸二氫錳鐵鹽（馬日夫鹽），80~100g/L的硝酸鋅Z n（N O3）2·6H2O，游離酸度5~7點、總酸度60~80點，溫度60~70℃，時間10~15min。

磷化質(zhì)量的檢驗：

1）外觀檢查。用肉眼觀察磷化膜表面應(yīng)為灰色或暗灰色，結(jié)晶均勻、致密、牢固、完整。

2）耐蝕性檢查。①浸入法。先將磷化件浸入3%NaCl水溶液中，在室溫下保持15min，然后取出用自來水沖洗干凈，在空氣中自然干燥30min，或用壓縮空氣快速吹干，如表面不出現(xiàn)銹點，即判合格。②點滴法。吸取少許的組份溶液（71.05g的CuSO4·5H2O+132.9g的固體NaCl+0.1N的鹽酸13.2mL+986mL蒸餾水），在室溫下滴在磷化件表面上1min內(nèi)不變色即為合格。

由于，45鋼工件淬火后大多用250℃以下的低溫回火，所以表面處理的溫度應(yīng)低于此溫度，除了上述發(fā)黑和磷化外，還有些單位使用鉬化處理和硫化處理。

6.3 45鋼工件的化學(xué)熱處理應(yīng)用實例

（1）45鋼制熱切邊模固體滲硼 910~930℃×4h固體滲硼后，隨爐冷至室溫；鹽浴加熱淬火，820~840℃×0.5min，淬入鹽水，210~230℃×3h回火，表面硬度1290~1700HV。

（2）45鋼制模具液體滲硼 對45鋼制無縫鋼管冷拔模、硅棒模具、釉面磚模板等，進行液體滲硼，可收到很好的效果。常用液體滲硼工藝：920~940℃×5~6h，出爐淬火，低溫回火。

（3）45鋼制模固體Ni-B共滲 Ni-B共滲比單一滲B更優(yōu)越。其工藝過程為化學(xué)鍍Ni，在金屬表面形成一層致密光滑的鍍層，再進行滲B，由于Ni、B、Fe的相互擴散和滲透，可以得到理想的鍍層和滲層，提高了結(jié)合強度、冷熱疲勞性能、耐高溫氧化性能和耐磨性能，降低了單獨滲B的脆性。

（4）化學(xué)沉積Ni-P合金 角鋼和鋼板的冷沖頭用45鋼制造，經(jīng)830℃加熱淬火、低溫回火，獲得硬度50~54HRC，加工成成品后再經(jīng)Ni-P合金沉積，沉積層厚度為25~30μm，表面硬度可達1000HV，沖頭壽命達6000多件，平均壽命提高兩倍多。

7 結(jié)束語

1） 由于45鋼有臨界點突變的特點，所以處理45鋼小件時一定要關(guān)注其實際碳含量。

2）45鋼小件淬火切忌用傳統(tǒng)的NaCl水溶液，建議用既淬得硬又不至于淬裂的有機或無機溶劑。

3）45鋼沸水淬火是很有前途的發(fā)展工藝。

4）充分挖掘45鋼潛力，45鋼可以制造多種工程構(gòu)件及工具。

5）45鋼制件可以進行多種表面處理及化學(xué)熱處理，不管采取何種處理，把本單位的產(chǎn)品質(zhì)量提上去是硬道理。