45鋼高溫快速回火可行性分析

王吉洪

摘 要：本文通過實驗，觀察了45鋼高溫快速回火和常規回火工藝的晶相組織和晶粒形態，并測量出了其各狀態下的硬度值，對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。

關鍵詞：45鋼；常規回火；高溫快速回火；索氏體

1.引言

45號鋼為優質碳素鋼，具有良好的機械性能，被廣泛應用于機械制造，化學成分為：C：0.42～0.50%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.50～0.80%，Cr≤0.25%，我公司產品中有大量零部件材料使用45鋼，這些零件使用工況復雜，承受著壓縮、拉伸、剪切、扭轉或彎曲應力，須具有一定的強度和硬度及良好的塑性和韌性。因此很多45鋼都要用到調質處理來得到優良綜合機械性能的回火索氏體組織以滿足使用要求。

熱處理作業需消耗大量的電能，如何在滿足產品質量的前提下，尋求節能的途徑以降低熱處理過程生產成本是我們需不斷探究的課題，我公司當前淬火工藝為常規回火處理，生產中為提高設備利用率常采用積累一定數量淬火件，一起裝爐進行回火，回火時間長，生產周期長，能耗大而且可能導致淬火件不能馬上進行回火而產生裂紋等缺陷。本文用實驗論證高溫快速回火的可行性，提高生產效率，節約能耗。

2.實驗過程

實驗設備：型號分別為x-75和x-105的箱式電阻爐，布洛維硬度計，leica金相顯微鏡

實驗材料：Φ50的45號圓鋼

回火時間，通常指均勻燒透所用的時間，從工件入爐后爐溫升至回火溫度開始計算。可以參考以下經驗公式：

本實驗采用105kw的箱式電阻爐按常規淬火工藝進行淬火，用75kw的箱式電阻爐分別在560℃、650℃和750℃下以不同的保溫時間進行回火，在爐溫升到300℃時裝入圓料，按照已確定的加工工藝和保溫時間，來完成本次試驗。

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，它們都處于亞穩定狀態。在回火過程中，會隨著回火溫度的升高發生組織變化而引起力學性能的改變。回火時的組織變化主要分四個階段進行：

①.80～250℃溫度區間，馬氏體分解。

②.200～300℃溫度區間，馬氏體繼續分解，殘留奧氏體轉變為馬氏體或下貝氏體，但馬氏體很快被被回火成為回火馬氏體。

③.300～400℃溫度區間，馬氏體分解時以滲碳體的形式析出過飽和的碳。當α固溶體中碳接近平衡狀態時，鐵素體恢復，晶格的扭曲基本消失，內應力隨之消除。

④.400℃以上溫度區間，孿晶全部消失，α相發生回復過程。鋼中碳化物通過減小表面積來降低能量，聚集成球狀。

⑤.600℃左右時，α相發生再結晶過程，由于再結晶結果，使α相晶粒長大，馬氏體針狀形態消失，形成多邊形的鐵素體。此時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械混合物，稱為回火索氏體。

以上所有的回火轉變都可以在一定的溫度范圍內發生。在該范圍內，在低溫度長時間與高溫度短時間發生的轉變可以有相同的效果。高溫快速回火就是基于這個原理提出的。馬氏體分解需要很大的激活能，據計算，它的分解激活能是4.1868x33000 J/mol。高溫快速回火時，回火時間短，回火應快速進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性能。

3.2實驗分析

通過常規高溫回火、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）數據如下表1所示：

淬火鋼在回火時硬度變化的總趨勢是，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，淬火加回火產物是回火索氏體；其直接分解產物是細珠光體，即索氏體。由上表可知，在560℃下回火的45號Φ 50圓鋼，保溫時間為210min， 所得硬度值為 HRC 20-25；在650℃下進行回火的料，保溫時間為25min，所得的硬度值為HRC 22-26；而在750℃下進行回火的料，其保溫時間僅為15min，就可達到硬度值HRC 18-22。符合所要生產加工要求。

回火過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相的恢復及再結晶等四個部分，除殘留奧氏體的分解外，回火過程的轉變實際上就是形成回火馬氏體、托氏體、和索氏體。傳統回火工藝和高溫快速回火都包括這三個部分。回火時，鋼件碳化物的轉變，也是通過形核和長大過程進行的。通過對比各晶相圖觀察發現，其各溫度下回火的晶相沒有顯著的變化，所以常規高溫回火、650℃和750℃高溫快速回火所能達到的回火效果基本是相同的，且穩定的。

4.結果討論

常規回火與高溫快速回火耗電量的比較：

實際生產中，由于裝爐量大，燒透時間長，為了使溫度均勻，一般保溫時間都在4小時以上，但本實驗中只有少量實驗材料，所以在計算用電量的時候應該同理論計算時間相比較，下面計算按通常回火時使用X-75的功率進行比較，由表2所示。

1）.常規回火時：開爐時間等于理論計算的保溫加上隨爐升溫的時間，約為5h；耗電量=開爐時間*功率=5h*75kw =375kwh

2）.650℃回火時：加上爐子從進爐溫度300℃升到650℃所用及保溫時間，開爐時間等于120min，約為2h；

耗電量=開爐時間*功率=2h*75kw =150kwh

耗電下降率=（375-150）/375=60%

3）.750℃回火時；從進爐溫度300℃升到750℃及保溫所用時間，開爐時間等于110min，約為1.8h。

高溫快速回火無脆化現象：回火脆性分為第一類回火脆性和第二類回火脆性。避免第一類回火脆性的方法是避開產生回火脆性溫度（200～350℃）進行回火；避免第二類回火脆性的方法是回火后快冷。高溫快速回火的溫度遠高于此溫度，又因為加熱時間短，冷卻速度快，避開了產生回火脆性的條件，因此就沒有回火脆性。

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

5.結論

通過對以上實驗數據和金相照片的綜合分析，高溫快速回火和常規回火工藝的晶相組織形態變化不大，并且硬度值相近，且各高溫回火效果相同，能達到生產加工工藝要求，所以高溫快速回火是可行的。

對比常規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%，其顯著的節電效果能在用電緊張的生產中發揮重要意義和明顯的經濟效益。

參考文獻：

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