45號(hào)鋼熱處理工藝常見問題及其預(yù)防措施

孔 建，姜明國

（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006）

45號(hào)鋼作為是中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，因其優(yōu)良的切削加工性能，在現(xiàn)在裝備制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高其熱機(jī)械性能，通常需要對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行熱處理工藝，以提高其強(qiáng)度與塑性等熱機(jī)械屬性。本文首先對(duì)45號(hào)鋼傳統(tǒng)熱處理工藝進(jìn)行了綜述，針對(duì)45號(hào)鋼熱處理工藝的常見問題，并提出解決措施，為45鋼熱處理工藝控制研究提供參考。

1 45號(hào)鋼傳統(tǒng)熱處理工藝綜述

45號(hào)鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼，硬度相對(duì)不高，切削加工相對(duì)容易。45號(hào)鋼既能做模具模板，又可制造曲軸、軸、活塞銷、工夾具等要求強(qiáng)度較高的零件，但模具模板與零件的表面通常要求具備高硬度與高耐磨的特性，45號(hào)鋼雖然淬火性能一般，但能夠淬硬至HRC42~46。同時(shí)，如果將45鋼表面進(jìn)行滲碳淬火，可得到需要的表面硬度。45號(hào)鋼傳統(tǒng)熱處理工藝主要包括預(yù)備熱處理、低溫球化退火、淬火、臨界溫度淬火以及高頻淬火括等階段。

1.1 預(yù)備熱處理

45號(hào)鋼鍛軋件通常情況下不進(jìn)行退火處理，其原因有二：

一是，退火時(shí)間如果過長(zhǎng)，很容易產(chǎn)生鐵素體集聚，導(dǎo)致組織不均勻現(xiàn)象；

二是，因?yàn)?5號(hào)鋼鍛軋件作退火處理周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低。45號(hào)鋼預(yù)備熱處理一般采用高溫回火與正火。45號(hào)鋼鍛軋件通?？刂圃?24℃以內(nèi)，這樣不但不產(chǎn)生結(jié)晶過程，同時(shí)能夠降低其內(nèi)應(yīng)力，硬度大大降低，易于下一步的切削加工工藝。

1.2 低溫球化退火

低溫球化退火是把工件加熱到共析轉(zhuǎn)變溫度Ac1以下進(jìn)行保溫，然后緩冷冷卻，從而獲得球化組織的熱處理方法，5號(hào)鋼鍛軋件的溫度在接近724℃時(shí)，要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫階段，這樣片狀球光體就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，成為球狀珠光體，其硬度在145HB之內(nèi)，其強(qiáng)韌性較好，為冷擠壓奠定了基礎(chǔ)。

1.3 淬火

45號(hào)鋼的淬火就是將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1(過共析鋼)以上溫度，經(jīng)過保溫后置入各種不同的冷卻介質(zhì)中（V冷應(yīng)大于V臨），以獲得馬氏體組織。由于45號(hào)鋼的奧氏體穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此為獲得高硬度的馬氏體組織需要對(duì)其加熱后快速進(jìn)行淬火冷卻。45號(hào)鋼具有良好的導(dǎo)熱性，在淬火時(shí)，可以直接入爐，不需要預(yù)熱，根據(jù)工件的相關(guān)技術(shù)要求來選擇溫度的高低，一般加熱溫度控制在60℃~820℃之間。

1.4 臨界溫度淬火

大量實(shí)驗(yàn)表明，45號(hào)鋼處于780℃臨界溫度進(jìn)行淬火時(shí)，能夠獲取極細(xì)小的奧氏體晶粒，使其韌性大大提高，同時(shí)也顯著降低了裂紋敏感性。一些截面尺寸相差懸殊的工件，在淬火時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，而對(duì)其進(jìn)行臨界溫度淬火處理時(shí)，可以大大降低產(chǎn)生裂紋的概率。

1.5 高頻淬火

高頻淬火是通過感應(yīng)加熱設(shè)備，對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，迅速加熱零件表面，然后迅速淬火的一種金屬熱處理方法。高頻加熱速度控制范圍在200~1 000℃/s之間時(shí),其臨界溫度也對(duì)應(yīng)升高，因此，故45號(hào)鋼鍛件的淬火加熱溫度在880~920℃之間，一般較其他類型的鋼高大約80~100℃，有時(shí)更高一些。這樣45號(hào)鋼在高頻淬火被加熱的速度很快，其組織細(xì)小，應(yīng)力增加，能夠使鍛件達(dá)到62~66 HRC的硬度,具有了高耐磨性，強(qiáng)疲勞抗力以及較小的缺口敏感性的特點(diǎn)。

2 45號(hào)鋼熱處理工藝常見問題

2.1 硬度偏低

45號(hào)鋼鍛件經(jīng)過調(diào)質(zhì)件淬火后，其硬度一般要達(dá)到HRC56~59的要求，對(duì)于截面大的鍛件也應(yīng)該大于HRC48，造成原因主要是有四種原因：

一是，鋼材含碳量偏低；

二是，在淬火加熱階段，沒能做到要求的技術(shù)規(guī)范，加熱溫度偏低或保溫時(shí)間不夠，使鍛件組織中奧氏體的碳與合金元素含量不足，甚至還殘存著未轉(zhuǎn)變的珠光體或未溶鐵素體，造成鍛件淬火后硬度指標(biāo)達(dá)不到要求；

三是，鍛件加熱溫度過高或者保溫時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致其表面脫碳而達(dá)不到硬度；

四是，淬火冷卻不到位，冷卻是熱處理的最終工序，更是熱處理最重要的工序。45號(hào)鋼淬火硬度在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，淬火冷卻不到位，其硬度會(huì)變低。

2.2 縱向裂紋

縱向裂紋就是產(chǎn)生的裂紋呈軸向趨勢(shì)，形狀細(xì)而長(zhǎng)，如圖1所示。

圖1 45號(hào)鋼熱處理后產(chǎn)生的縱向裂紋圖

直徑為8mm左右的45號(hào)鋼鍛件最容易出現(xiàn)，一般含碳量愈高的鍛件，其產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力越大，拉應(yīng)力沖破鍛件強(qiáng)度極限時(shí)，縱向裂紋就會(huì)形成。45號(hào)鋼鍛件縱向裂紋產(chǎn)生的原因主要有：

一是，裝設(shè)的加熱爐的方式不合理，導(dǎo)致鍛件的受熱不均現(xiàn)象；

二是，鍛件在淬火時(shí)，受到的溫度較高，內(nèi)外應(yīng)力差距大。同時(shí)加劇45號(hào)鋼鍛件裂紋產(chǎn)生的原因主要有：鍛件中鋼中含有較多的低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)，譬如S、P、Bi等等；鍛件尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸范圍內(nèi)所選擇的淬火冷卻介質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍛件的臨界淬火冷卻速度。

2.3 橫向裂紋

橫向裂紋就是產(chǎn)生的裂紋垂直于軸向。由內(nèi)往外斷裂。如圖2所示。

圖2 45號(hào)鋼熱處理后產(chǎn)生的橫向裂紋圖

橫紋一般出現(xiàn)在其未淬透時(shí)，有熱應(yīng)力引發(fā)。鍛件淬火如果不能淬透，其表面會(huì)呈壓應(yīng)力,而其心部則呈拉應(yīng)力，這樣在鍛件的淬硬層與非淬硬層的過渡區(qū)，就會(huì)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，當(dāng)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力沖破鍛件的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，橫向裂紋就會(huì)產(chǎn)生。45號(hào)鋼鍛件橫向裂紋產(chǎn)生的原因主要有三種：

一是，工件的拉拔工藝及操作不合理，譬如模角太大，沒有經(jīng)過酸洗以及金屬內(nèi)外變形不均勻等；

二是，工件心部出現(xiàn)增碳，使工件的內(nèi)外層塑性變形能力出現(xiàn)較大的差別；

三是，工件內(nèi)有夾雜物存在。

2.4 硬度不均勻

45號(hào)鋼經(jīng)過熱處理后，如果硬度不均勻?qū)⑹蛊淠湍バ越档停瑴p少使用壽命。導(dǎo)致45號(hào)鋼硬度不均勻原因主要有以下幾種：

一是，使用的工件本身淬透性低；

二是，工件表面殘留有退火脫碳層或淬火加熱時(shí)產(chǎn)生脫碳層；

三是，工件淬火加熱后冷卻速度慢，分級(jí)、等溫過高、時(shí)間過長(zhǎng)或者冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)；

四是，工件淬火介質(zhì)中含雜質(zhì)過多或老化；

五是，工件淬火冷卻后出淬火介質(zhì)時(shí)溫度過高、冷卻不足；

六是工件回火不充分及回火溫度過高。

2.5 表面形成大塊碳（氮）化合物網(wǎng)

導(dǎo)致45號(hào)鋼鍛件表面形成大塊碳（氮）化合物網(wǎng)的原因有：

一是，爐氣碳勢(shì)過高；

二是，工件強(qiáng)滲時(shí)間過長(zhǎng)；

三是，冷卻速度太慢，沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀碳化物；

四是，鍛造始鍛溫度太高，而鍛后冷卻太慢。

2.6 畸變

導(dǎo)致45號(hào)鋼鍛件畸變的原因有三：

一是，工件在淬火階段溫度偏高；

二是，工件冷卻方法不合理；

三是，夾具設(shè)計(jì)不合理或者使用不當(dāng)。

3 解決措施

3.1 硬度偏低預(yù)防措施

一是，對(duì)45號(hào)鋼鍛件的原材料進(jìn)行檢查，通過磨火花或者看光譜或化驗(yàn)成分了解其含碳量，選擇符合技術(shù)要求的原材料，然后去掉原材料脫碳層。在鹽浴爐加熱前要進(jìn)行脫氧撈渣，空氣爐加熱零件要加保護(hù)劑（氣體），有條件的可以通過真空加熱；

二是，根據(jù)45號(hào)鋼熱處理工藝的技術(shù)要求正確掌握淬火回火過程的溫度、時(shí)間等參數(shù)，再根據(jù)鍛件的技術(shù)需求選用合適的淬火介質(zhì)；

三是，在工件水淬-油冷的水冷時(shí)，把握好時(shí)間，不能太短；同時(shí)需要熟悉加熱爐和儀表的性能，掌握誤差值以及工件淬火后的硬度值，使工件的抗疲勞強(qiáng)度與綜合力學(xué)性能符合要求。

3.2 縱紋預(yù)防措施

一是，對(duì)45號(hào)鋼原材料嚴(yán)格進(jìn)行入庫檢查，不使用有害雜質(zhì)含量超標(biāo)鋼材；

二是，盡可能選用真空冶煉方式，爐外精煉或電渣重熔工件鋼材；

三是，加強(qiáng)熱處理工藝的改進(jìn)，采用真空加熱，保護(hù)氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級(jí)淬火、等溫淬火；

四是，可以變無心淬火為有心淬火，即不完全淬透，從而獲得強(qiáng)韌性高的下貝氏體組織等措施，達(dá)到大幅度降低拉應(yīng)力的目的，避免工件發(fā)生縱裂。

3.3 橫紋預(yù)防措施

一是，對(duì)工件進(jìn)行合理鍛造，鍛造比（即原材料長(zhǎng)度與直徑之比）盡可能選在2~3之間，鍛造采用雙十字形變向鍛造，經(jīng)五鐓五拔多火鍛造，使工件中碳化物和雜質(zhì)呈細(xì)、小，勻分布于工件鋼的基體，鍛造纖維組織圍繞型腔無定向分布，大幅度提高模塊橫向力學(xué)性能，減少和消除應(yīng)力源；

二是，正確選擇冷卻速度與冷卻介質(zhì)。在工件的Ms點(diǎn)以上要快冷，大于該工件的臨界淬火冷卻速度，使工件的過冷奧氏體產(chǎn)生的熱應(yīng)力，表層產(chǎn)生的壓應(yīng)力以及內(nèi)層產(chǎn)生的張應(yīng)力能夠相互抵消，預(yù)防熱應(yīng)力作用；

三是，在工件的Ms—Mf之間進(jìn)行緩冷，大幅度降低工件形成淬火馬氏體時(shí)的組織應(yīng)力，降低相變應(yīng)力，使工件的控制應(yīng)力總和為負(fù)，預(yù)防橫向淬火裂紋；

四是，運(yùn)用CL-1有機(jī)淬火介質(zhì)。CL-1有機(jī)淬火介質(zhì)是較理想淬火劑，不但能控制硬化層合理分布，減少與預(yù)防淬火工件畸變，同時(shí)還可以通過調(diào)正CL-1淬火劑不同濃度配比，得到不同冷卻速度，獲得所需硬化層分布，滿足不同工件鋼需求。

3.4 硬度不均勻預(yù)防措施

一是，要正確選擇合理的鍛造工藝和球化退火工藝，保障工件有良好的預(yù)備熱處理組織；

二是，在工件進(jìn)行熱處理前，一定要徹底消除工件表面的銹斑以及氧化物，同時(shí)注意加熱時(shí)的保護(hù)，盡可能采用真空加熱或保護(hù)氣氛加熱，在對(duì)工件進(jìn)行鹽浴加熱時(shí)，做到脫碳處理效果良好；

三是，正確制定工件的淬火回火工藝規(guī)格，回火要充分；

四是，根據(jù)工件的使用技術(shù)要求，合理選用冷卻介質(zhì)與冷卻方式；

五是，堿浴水分含量要嚴(yán)格控制，同時(shí)對(duì)淬火油要經(jīng)常進(jìn)行過濾，定期更換。

六是，對(duì)硬度要求高的工件要采用深冷處理，同時(shí)對(duì)淬火后工件鋼進(jìn)行滲氮或氮碳共滲熱處理等進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

3.5 表面形成大塊碳（氮）化合物網(wǎng)預(yù)防措施

一是，降低工件碳勢(shì)，縮短強(qiáng)滲時(shí)間；如果滲層深度允許，可在較低碳勢(shì)爐中進(jìn)行擴(kuò)散處理；

二是，適當(dāng)提高淬火溫度；

三是，可對(duì)工件進(jìn)行一次滲層的球化退火。

3.6 畸變預(yù)防措施

在通過調(diào)整工件的淬火工藝，合理設(shè)計(jì)夾具與改善冷卻條件的基礎(chǔ)上，保障工件受熱的均勻性。

4 結(jié)束語

總之，45號(hào)鋼是機(jī)械制造行業(yè)中用途非常廣泛，但在對(duì)其熱處理工藝中也出現(xiàn)了很多問題，必須加大研究，根據(jù)出現(xiàn)具體問題進(jìn)行具體分析，并通過工藝試驗(yàn)得出預(yù)防控制措施。本文熱處理基礎(chǔ)理論與實(shí)踐中分析的45號(hào)鋼熱處理工藝常見問題及其預(yù)防措施具有明顯的可行性、實(shí)用性以及效益性。

[1]松 濤,顧 軍.熱處理技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]閻俊萍，,鄭玉君.中碳高釩結(jié)構(gòu)鋼的研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(7):24-26.

[3]李 偉，杜 楠，樊兆寶.15-5PH馬氏體時(shí)效鋼的工藝性能[J].兵器材料科學(xué)與工程，2010(1):36-38.

[4]張雙杰，劉玉忠，高小會(huì)，等.中碳鋼(45#)開式冷擠壓極限變形程度的實(shí)驗(yàn)研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21(4):46-48.

[5]李 軍，張雙杰，韓鵬彪.開式冷擠壓成形功率及擠壓力的研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，21(2):17-21.

[6]錢 濱.45鋼熱處理過程組織轉(zhuǎn)變量預(yù)測(cè)的試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)，2002.

[7]馮廣海.45鋼ECAP變形及組織細(xì)化研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.