淺談45#均質化熱處理工藝的應用

侯友武 孫守田

（棗莊通晟實業有限公司，山東 棗莊 277011）

1 問題的提出

機械制造企業中，材料熱處理工藝應用較為廣泛。而在我國一些中小規模機械制造企業，因為技術能力、裝備水平、員工素質等因素影響，鋼材熱處理技術一直困擾著企業的健康發展。

棗莊通晟實業有限公司為中等規模械制造企業，其生產的礦用運輸機配件、汽車零部件等產品機械綜合性能高，需要進行調質處理。采取傳統的淬火—回火熱處理工藝，產品質量性能不穩定，常出現斷裂、彎曲變形等情況，引發質量糾紛，嚴重影響了企業形象和經濟效益。棗莊通晟實業有限公司熱處理技術人員通過對45#熱處理工藝過程分析，優化均質化熱處理工藝，以解決產品實際使用過程中斷裂、彎曲變形等問題。

2 45#熱處理工藝

鋼的淬火和回火是最重要的熱處理工藝。淬火與不同溫度回火工藝結合，可顯著提高鋼的硬度，獲得不同強度、塑性和韌性的合理配合，滿足各種機械零件對材料力學性能的要求。

圖1 亞共析鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖（TTT圖）

圖1為亞共析鋼的TTT圖，從圖中得知，45#等亞共析鋼的淬透性差，且在淬火階段由于冷卻蒸汽泡膜的存在極易形成硬度不均的情況，造成熱處理后機加工困難、強度性能不良。若想獲得硬度較高的馬氏體(貝氏體）組織，需要在很短的時間內將工件溫度降至Ms點以下，這也是45#等在淬火階段需要用水冷卻而不是油或者空冷的原因。

3 45#熱處理工藝的改進

3.1 冷卻介質的選擇

熱處理過程中冷卻介質常采用空氣、水、鹽溶液、油等，實際應用中多采用自來水。空氣、自來水易于獲取，成本低，但冷卻效果差；淬火油多用于模具等特殊鋼材，成本較高；與空氣、自來水、油相比，鹽溶液不僅提高45#淬火冷卻階段的冷卻速率，成本也沒有較大增加，同時還能防止工件表面遇冷時形成蒸汽泡膜影響局部淬火效果。

根據《熱處理實用數據速查手冊》、《金屬熱處理原理與工藝》等，結合企業實際情況對熱處理工藝參數進行優化，冷卻介質由普通自來水改為10%的NaCl水溶液。

3.2 熱處理工藝參數的選擇

3.2.1 淬火階段

將鋼加熱到臨界點以上一定溫度，保溫一定時間，然后以適當速度冷卻獲得馬氏體或馬氏體加貝氏體組織。在中小機械制造企業中，實際操作時由于操作工的職業素養參差不齊，完全憑借個人經驗來確定加熱工藝參數，這就導致了產品熱處理質量的不穩定性。

表1 加熱計算經驗公式及碳鋼和合金鋼的加熱系數

中小機械制造企業通常采用臺車式空氣電阻爐加熱和樹形拓撲結構方式堆放工件，故α取1min/mm，K取1.3。

表2 優質碳素結構鋼的臨界溫度及常規熱處理工藝參數

由表2知，淬火溫度為840℃。

3.2.2 淬火冷卻階段

表3 常用淬火介質的淬冷烈度H值（單位：cm-1）

淬冷烈度是表征冷卻介質冷卻能力大小的重要指標，H值越大則冷卻能力越強。由表3知，45#冷卻介質應采用淬冷烈度H=2的10%濃度的NaCl水溶液冷卻方式。若采用H=1的水冷卻，則易在淬火冷卻階段水遇高溫生成的水蒸氣泡膜依附于工件表面，形成局部軟點而造成淬火結果不理想。

將冷卻介質改為10%濃度的NaCl溶液，并在一側加裝電泵使介質加速循環流動，并利用行車提供動力對熱處理物品上下運動，通過加速冷、熱介質對流，實現均質化處理目標。

3.2.3 回火階段

回火是鋼件淬硬后，再加熱到Ac1以下保溫一定時間，然后冷卻到室溫的工藝。回火的目的是穩定組織，減小或消除殘余應力，提高鋼件的性能。

中小機械制造企業需要對回火工藝參數指標進行量化，不能全憑操作者的經驗。若零件硬度要求在220～260HB，由表2知，回火溫度選為580±10℃。回火加熱時間根據小批量試回火實驗確定為2h，實際生產中可根據裝爐量的大小自行調整，適當延長或減少。

3.2.4 回火冷卻階段

基于熱處理產品零件結構不太復雜，且45#不存在第二類回火脆性，因此回火冷卻用水冷或空冷均可。

3.3 繪制熱處理工藝曲線

圖2 45#熱處理工藝曲線

4 均質化熱處理后產品性能對比

熱處理工藝改進前，產品熱處理硬度在200～240HB中間浮動，極個別部位甚至出現190HB這樣的軟點區域，分布區間較大，抗拉強度σb在640～820MPa之間，性能不穩定。

采用均質化熱處理工藝后，同一回火溫度下，產品硬度在220～240HB浮動，未發現軟點部位，抗拉強度σb上升至730～820MPa之間，力學性能提升明顯，產品顧客滿意度由原先的75.3%上升至96.5%。

5 結語

針對45#熱處理時淬透性差、局部易出現軟點的情況，本文提出用濃度為10%的NaCl水溶液均質化工藝，確保了整體淬火的一致性。對淬火溫度、淬火時間、冷卻介質、冷卻方式、回火溫度、回火時間進行優化確認，并制作成工藝卡片確保嚴格執行，從而使產品質量得到了有效控制，給一些中小企業提供了較好的參考和借鑒價值。