中碳鋼調質熱處理工藝

陳志文，潘國強，龐博文，趙步青

1.陸軍裝備部防化軍代局 北京 100083

2.武警裝備部軍代局 北京 100860

3.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

1 序言

中碳鋼和中碳合金結構鋼淬火后再施以500～650℃的高溫回火的熱處理工藝叫調質。調質處理大多在毛坯或粗加工后進行，也可以作為預備熱處理或最終工序，調質后得到的組織應該是回火索氏體，而不是雜亂的混合組織。與正火相比，在硬度和抗拉強度相同的條件下，調質提高了鋼材屈服強度，其中塑性和韌性提高尤為明顯。

調質件適用于較大動荷載，尤其是復合應力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、疲勞）下工作的零部件，強烈要求強度與韌性的良好匹配、較小的脆性斷裂傾向和較大的承載力。有些鋼件在調質后還要有較高的耐磨性、耐蝕性、抗咬合性能等，在精磨后再進行適當的化學熱處理即可。

2 對調質鋼基本性能的要求

2.1 足夠的淬透性

淬透性是指淬火后在鋼的截面上獲得馬氏體組織的能力，淬火后的鋼，不僅在表面而且在一定深度內也不同程度地被硬化。而硬化深度因鋼而異，人們習慣把硬化層深度叫淬透性，也有人認為淬透性取決于鋼中過冷奧氏體的穩定性、鋼材的實際尺寸及所用的淬火冷卻介質，可根據鋼的等溫轉變曲線評價其淬透性的高低，也可以根據淬火時的臨界冷卻速度或者以圓棒在某種介質中冷卻時心部獲得100%馬氏體時最大直徑來衡量淬透性高低。但目前使用最廣的評定淬透性的方法是以試樣心部獲得半馬氏體組織，即50%馬氏體+50%屈氏體作為標準。在選材和進行調質操作時，一定要關注鋼的臨界淬火直徑、加熱爐及淬火冷卻介質，確保調質鋼有足夠的淬透性。

2.2 高的綜合力學性能

實踐中我們體會到，鋼中加入Cr 等合金元素之后，提高了淬透性，使較大截面的工件可能進行整體淬火或回火，得到理想的淬火組織，從而有可能利用調質來改善鋼的綜合力學性能。

圖1 為一組中碳合金結構鋼經完全淬透后，做拉伸試驗測定的結果。鋼的化學成分為：wC=0.25%～0.50%、wMn=0.30%～1.65%、wNi=0～3.75%、wCr=0～1.25%、wMo=0～0.40%、wV=0～0.15%。

由圖1可以看出，疲勞極限與硬度之間的關系有較大的規律性，從回火結構鋼力學性能的觀點出發，我們在選擇鋼材時就應采用淬火-回火后的硬度值作為指標。但是根據實踐經驗，要求淬火-回火后得到一定的硬度值時，為了能保證獲得較高的綜合力學性能，鋼材淬火后的硬度，不得低于某一允許值。例如，要求調質至30～35HRC，就應當選擇淬火后硬度不太高的40CrMnMo鋼，也可以根據淬透性選擇鋼材，如圖2所示[1]。確定鋼件哪些力學性能指標最重要，有針對性地選擇材料，保證工件能調質到滿足工藝設計的較高的綜合力學性能。

圖1 一組中碳合金結構鋼的疲勞極限和硬度的關系

圖2 根據淬透性選擇鋼材

2.3 良好的加工性能

所有鋼的切削加工性能均與其力學性能、金相組織、化學成分有關。首先，在力學性能方面，若調質件的硬度及強度過高，則會造成刀具磨損大，降低切削效率，生產成本上升；反之，硬度太低，塑性韌性增大，切屑不易斷開，粘刀易結瘤，被加工件表面質量差，一般調質件的硬度在220～250HBW，切削加工較好。其次，在硬度相同時，由于成分和組織不同，加工形式不同，所以切削加工性也有較大差異。

3 常用鋼的調質工藝

常用調質鋼的熱處理工藝見表1。

表1 常用鋼調質熱處理工藝 （℃）

調質處理可以作為預備熱處理，例如，合金鋼制作的工具在粗加工后進行調質，以改善精加工后工件表面的粗糙度，并可減少最終淬火件的畸變；表面淬火或某些化學熱處理前往往要進行調質（如滲氮、低溫的碳氮共滲前）。

4 高速鋼的調質工藝

為了改善齒輪刀具鏟削加工后的表面粗糙度（要求Ra≤2.5μm），則要對粗加工后、精加工前的刀具改造，細化其退火索氏體和碳化物。這種處理實質是進行另一次重結晶退火，不過目的不是降低硬度，而是要稍微提高硬度，細化索氏體碳化物，減少淬火畸變，或改善鋼淬火、回火后的性能。常用的方法有兩大類：一是低溫調質處理；二是等溫處理，工廠又稱 “毛淬火”。

“調質”一詞借用了對結構鋼相似的熱處理工藝名詞，但本文所述的調質與其有著完全不同的目的，通過重新加熱到接近或超過Ac1以上的溫度，使原來的索氏體碳化物絕大多數溶入奧氏體中，再以適當的回火溫度調節索氏體碳化物的粒度，而且改善其均勻性，所得的組織是否有利于切削加工，可通過硬度判定和切削試驗確定。目前，工具廠常用的高速鋼調質工藝為：880～900℃加熱，油淬，680～700℃回火。根據國內多數工廠的經驗，調質后的硬度應控制在：M2鋼38～42HRC，W18鋼35～39HRC，如是HSS-E鋼系，調質的硬度還會稍高1～2HRC 。

5 影響調質鋼力學性能的因素

對調質鋼力學性能要求有六大指標：硬度、抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率和沖擊韌度。

（1）分爐號淬火 不少工廠在生產中經常發現同一牌號、同規格材料制造同一規格品種的產品，用相同工藝熱處理，最終檢查有的合格，有的不合格，究其原因是混爐號淬火，例如，45鋼的wC為0.42%～0.50%，若是0.42%和0.50%的鋼混在一起淬火，性能相差甚遠。因此，一定要分爐號科學管理。

（2）鋼中的雜質元素對αK值的影響 從許多失效分析案例可知，有害雜質元素超標會對鋼的各項性能有損害，有些雜質元素雖未超標，但對鋼的αK值影響極大。某公司用40Cr鋼制造高強度螺栓，當鋼中的wP≥0.02%（國標≤0.035%），αK值由100J/cm2下降到50J/cm2左右。

（3）原材料組織缺陷對力學性能的影響 化學成分嚴重偏析、粗大的晶粒以及塊狀網狀組織都將有損于鋼的力學性能，應設法避免。

（4）加熱溫度和淬火冷卻介質對力學性能的影響 當選用的合成淬火冷卻介質冷卻速度很快時，應選擇較低的淬火加熱溫度；反之，選用高者。選用的基本原則，在Ms點以上快冷，避免過冷奧氏體析出第二相；在Ms以下緩冷，降低應力變形，從而經高溫回火后得到較理想的綜合力學性能。

（5）高溫回火溫度和冷卻規范對力學性能的影響 碳素結構鋼淬火后的硬度應≥45HRC，合金結構鋼淬火后硬度應≥50HRC，回火溫度大多在500～650℃，為防止第二類回火脆性的產生，回火出爐后應快冷。

（6）實際操作水平對力學性能的影響 人是生產力中最活躍的也是最重要的因素，由于熱處理每一步操作都是靠人去完成的，所以調質的每一個細節都要做到位，才能調出高水平。比如，淬火水槽如果溫度超過35℃或循環冷卻不好，淬火后硬度不均勻，力學性能也不會高。

（7）選材與取樣對力學性能的影響 現場筆者看到不少調質鋼選材不妥，取樣也無代表性，這樣的調質件肯定低檔次。

（8）索氏體與屈氏體對力學性能的影響 索氏體結構致密，具有最優良的力學性能，調質的目的就是為了獲得此組織。屈氏體也是鐵素體和滲碳體的彌散混合物，但力學性能遠不如前者，后者強韌性低、脆性大。鋼件的調質處理，不僅要力學性能合格，而且要金相組織也合格，一般不可以在500℃以下回火。

（9）淬火軟點對調質鋼力學性能的影響 淬火有軟點將導致力學性能下降，成為疲勞裂紋源和早期磨損的中心，因此對調質件要認真對待，不能馬虎。

6 結束語

調質雖是很普通的熱處理，但做的好的單位并不多。要想把調質搞好，必須認真研究調質鋼的特性，關注影響調質質量的各種因素，做好每一個細節。世上無難事，只怕有心人。