淬火溫度對45鋼淬火開裂的影響

張 坤,駱文鋒,郭小童,黃 凱,朱 剛

(中國電子產品可靠性與環境試驗研究所，廣州 511370)

0 引 言

45鋼屬于中碳鋼，經過調質處理后其組織主要為回火索氏體，具有強度高、韌性和塑性良好、加工性能優異、成本低的優勢[1]，但是其淬透性較差，易導致淬火開裂，這是限制45鋼獲得更廣泛應用的關鍵原因之一[2]。近年來，有關45鋼淬火開裂方面的研究主要圍繞在淬裂尺寸、淬火溫度、淬火介質、含碳量以及相關熱處理工藝等方面。45鋼淬火危險尺寸為5～12 mm，其淬裂敏感尺寸范圍為8～9 mm[3]。45鋼淬火溫度一般推薦830 ℃左右[4]，在該溫度范圍淬火時，其組織中的奧氏體大量轉化為馬氏體[5]，馬氏體具有高強度和高硬度[6-7]，但是在該溫度淬火時很容易發生開裂。鑒于以上原因，研究者[8-9]提出了亞溫淬火工藝，通過控制冷卻速率改變殘余應力分布來防止淬火開裂，因效果顯著而受到廣泛關注。亞溫淬火工藝雖然解決了淬火開裂問題，但亞溫淬火組織中存在的鐵素體弱化了基體性能，導致該工藝一直備受爭議，因此有必要研究一種最佳的調質熱處理工藝，既可以使45鋼獲得理想的顯微組織與最佳的力學性能，又可以防止零件淬火開裂。作者發現，直徑8 mm的鍛造正火態45鋼密封螺塞毛坯棒料經過調質工藝(830 ℃×15 min淬火+550 ℃×30 min高溫回火)處理后，大批量發生開裂。基于此，作者同樣以直徑8 mm的45鋼密封螺塞毛坯料為研究對象，設置了亞溫淬火[10]、常規淬火[4]和高溫淬火[11]等3類淬火溫度，對45鋼進行相應淬火與550 ℃×30 min高溫回火處理，對其開裂情況、顯微組織和斷口形貌進行觀察，并對45鋼的熱處理工藝進行優化，以期為45鋼的具體生產和應用提供依據和指導。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為直徑8 mm鍛造正火態45鋼密封螺塞毛坯棒料，采用電感耦合等離子原子發射光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀對毛坯的化學成分進行測試，結果如表1所示。由表1可知，45鋼毛坯的化學成分符合標準成分要求。顯微組織如圖1所示，可見顯微組織主要為珠光體和網狀鐵素體，未見異常組織、夾渣、偏析等缺陷，為合格的鍛造正火組織。采用SX-GO7123型箱式熱處理爐將試樣分別加熱至750，780，800，830，850，880 ℃，其中，750，780 ℃屬于亞溫淬火范圍[10]，800，830 ℃屬于常規淬火范圍[4]，850，880 ℃屬于高溫淬火范圍[11]，參考文獻[12]計算得到的淬火保溫時間取15 min。將試樣在淬火溫度下保溫15 min后進行水淬(水溫20～25 ℃)，然后進行550 ℃×30 min回火處理。

表1 45鋼毛坯的化學成分

圖1 45鋼毛坯的顯微組織

將熱處理后的試樣沿橫向切開，經冷鑲、粗磨、精磨、拋光，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕3～4 s后，采用LV150型光學顯微鏡觀察開裂附近的顯微組織；試樣沿淬火裂紋方向打開后，采用SEISS SUPRA 55型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，并用其電子背散射衍射模式觀察組織的反極圖。利用HVS-1000Z型顯微硬度計測試維氏硬度，施加載荷為2.94 N，保載時間為10 s，相同試樣測3次取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

經750，780 ℃亞溫淬火后試樣未發生開裂，而經800～880 ℃常規淬火和高溫淬火后試樣均發生了開裂。其中，亞溫淬火區間、常規淬火區間和高溫淬火區間淬火后經回火處理后2個試樣的組織均比較相似，因此以750,800,850 ℃淬火與回火后的試樣為例，對其組織進行觀察。由圖2可以看出：750 ℃淬火與回火后試樣的組織為回火索氏體+鐵素體，這是因為淬火溫度均處于奧氏體開始形成溫度(Ac1)與鐵素體完全轉變為奧氏體溫度(Ac3)之間，該溫度區間淬火組織中存在沒轉變的鐵素體[1,13-14]；800 ℃淬火與回火后試樣裂紋起源于外表面并向內部擴展，無細小二次裂紋，組織為回火索氏體，這是由于淬火溫度處于Ac3以上30～50 ℃，為一般常規推薦45鋼淬火溫度，組織中鐵素體完全奧氏體化，淬火過程中當溫度降到馬氏體轉變開始溫度(Ms)以下時，過冷奧氏體發生馬氏體相變轉變為淬火馬氏體，經550 ℃回火后轉變為回火索氏體；850 ℃淬火與回火后試樣淬火裂紋起源于外表面并向內部擴展，主裂紋周圍存在細小二次裂紋，組織為較粗大的回火索氏體，這是由于此時淬火溫度較高，經550 ℃回火處理后回火索氏體明顯粗大[8]。

圖2 不同溫度淬火和回火后試樣的顯微組織

由圖3可以看出：750 ℃淬火與回火后試樣組織中存在塊狀鐵素體，晶粒尺寸較小，平均晶粒尺寸約為0.4 μm；800 ℃淬火與回火后試樣中無明顯鐵素體，晶粒尺寸較小且分布均勻，平均晶粒尺寸約為0.5 μm；850 ℃淬火與回火后試樣由于淬火溫度較高，組織晶粒明顯長大，平均晶粒尺寸約為0.8 μm。由此可知，隨著淬火溫度的升高，45鋼淬火組織中鐵素體的含量減少直至消失，而過高的淬火溫度會導致晶粒尺寸增大。

圖3 不同溫度淬火和回火后試樣的反極圖

2.2 斷口形貌

由圖4可以看出：800 ℃淬火與回火后試樣斷口小部分區域呈冰糖塊狀沿晶開裂形貌，大部分區域為穿晶擴展形貌，斷裂模式為以穿晶斷裂為主的沿晶和穿晶混合斷裂模式；850 ℃淬火與回火后試樣斷口呈冰糖塊狀特征，斷裂模式為沿晶斷裂。一般晶界的強度大于晶內，在較高水平應力作用下，裂紋主要呈穿晶擴展；而在較高溫度時晶界的強度低于晶內，此時晶界弱化成為薄弱區，晶界區域產生應力集中，因此在較高溫度淬火過程中裂紋沿晶界擴展。由此可知，隨著淬火的溫度升高，45鋼的淬火斷裂模式由沿晶和穿晶混合斷裂向沿晶斷裂轉變。

圖4 不同溫度淬火和回火后開裂試樣的斷口SEM形貌

2.3 維氏硬度

由圖5可以看出：隨著淬火溫度的升高，淬火和回火后試樣的硬度先升高后降低；750，780 ℃亞溫淬火和回火后試樣的硬度最低，僅為275 HV左右，830 ℃淬火和回火后試樣的硬度最高，為313 HV。結合顯微組織可知，亞溫淬火和回火后組織中存在硬度較低的殘余鐵素體，導致試樣的硬度偏低。隨著淬火溫度的升高，鐵素體減少，硬度明顯升高。但是當淬火溫度為850，880 ℃時，淬火溫度過高，試樣中晶粒明顯長大，因此硬度降低。

圖5 淬火和回火后試樣的維氏硬度隨淬火溫度的變化曲線

2.4 淬火開裂的原因

當奧氏體化的冷卻過程中溫度低于Ms時，鋼中的奧氏體發生馬氏體相變，碳會沉積在馬氏體晶格之間，引起體積膨脹和晶格變形[15]，在該過程中由于試樣內、外熱脹冷縮不能同步發生而引起的內應力稱為熱應力。在淬火冷卻初期，試樣表層首先發生冷卻，溫度快速下降，外層原子熱運動減弱，體積收縮，形成拉應力；試樣心部溫度高于外層，原子運動仍很劇烈，受到外層原子的阻礙作用，心部受到壓應力作用。在淬火冷卻后期，心部原子熱運動趨于減弱，體積收縮，而外層溫度趨于穩定，原子熱運動也趨于穩定，因此心部表現為拉應力，外層表現出壓應力。由于試樣內、外部冷卻速率的不同，馬氏體轉變不能同時進行而產生的內應力稱為組織應力[16]。由相變產生的組織應力在不同冷卻速率下具有不同的分布[17]。在淬火冷卻初期，試樣表層溫度首先降到Ms以下，過冷奧氏體發生馬氏體相變并發生組織膨脹，而心部的溫度仍高于Ms，組織保持原始奧氏體狀態，從而導致表層受壓應力作用，心部受拉應力作用。在淬火冷卻后期，當心部組織溫度降到Ms點以下時，過冷奧氏體發生馬氏體相變并產生體積膨脹，但表層高強度的馬氏體阻礙了心部相變的進行，因此心部組織受到壓應力作用，而表層受到拉應力作用。

淬火裂紋的產生是組織應力和熱應力綜合作用的結果，當內應力(組織應力為主，熱應力次之)大于材料的斷裂強度時，試樣產生開裂。亞溫淬火的加熱溫度較低，此時組織中還存在鐵素體，鐵素體塑性較好，可以吸收一部分內應力，緩解應力集中[18]，防止淬火開裂。在常規淬火溫度區間，試樣發生開裂，橫向裂紋由表面向心部擴展，擴展路徑較直，無二次裂紋，試樣發生沿晶和穿晶混合斷裂，可知該裂紋是由馬氏體相區冷卻速率過快引起的。在高溫淬火溫度區間產生的裂紋存在細小二次裂紋，裂紋沿晶擴展，這是因為在高溫時晶界粗大，晶界弱化導致試樣在組織應力與熱應力共同作用下更容易開裂[19]。

2.5 熱處理工藝優化

雖然750，780 ℃亞溫淬火和回火后試樣未發生淬火開裂，但較低的硬度限制了其應用。因此，在保持高硬度的同時避免淬火開裂是45鋼熱處理工藝優化的關鍵。不同淬火溫度下產生的淬火裂紋的原因不同。緩冷可以延緩試樣表面至心部的溫度梯度，減小過冷奧氏體在馬氏體轉變相區的冷卻速率，從而避免開裂。為了提高產品合格率，并保證產品所需性能，在830 ℃常規淬火溫度和回火工藝的基礎上，在淬火前增加了一道室溫緩冷工序，即試樣出爐后緩冷3～5 s再進行淬火。發現，經緩冷、淬火和回火處理后試樣未發生淬火開裂，經優化工藝處理后試樣的顯微組織如圖6所示。由圖6可知，試樣的顯微組織為回火索氏體。測得其硬度為301.8 HV，高于亞溫淬火和高溫淬火。因此，通過工藝優化可以在兼顧45鋼硬度的同時避免了淬火開裂。

圖6 工藝優化后45鋼的顯微組織

3 結 論

(1) 直徑為8 mm的45鋼棒的淬火開裂臨界溫度為800 ℃。在800～830 ℃淬火時，淬火開裂的原因為過冷奧氏體在馬氏體轉變相區冷卻速率過大，組織應力在試樣外層集中，且大于材料的斷裂強度；在850～880 ℃淬火時，淬火溫度較高導致晶粒粗大、晶界弱化，在組織應力與熱應力的共同作用下產生開裂。

(2) 直徑為8 mm的45鋼棒的淬火溫度為800～830 ℃時，淬火裂紋由外向內以穿晶為主的沿晶和穿晶混合方式擴展，無細小二次裂紋；淬火溫度為850～880 ℃時，淬火裂紋由外向內沿晶界擴展，周圍存在細小二次裂紋。

(3) 隨著淬火溫度的升高，45鋼組織中鐵素體減少，晶粒尺寸增大，硬度呈先升高后降低的趨勢。在830 ℃淬火前增加3～5 s的室溫緩冷工序再經回火后45鋼可以獲得最佳的回火索氏體組織與較高的硬度，又可以避免淬火開裂。