45鋼亞溫淬火參數模擬計算及實驗研究

萬家瑰

（東北石油大學機械科學與工程學院 黑龍江大慶 163318）

45鋼被廣泛用于制造軸類、齒輪、連桿、螺栓等零件，生產中為使其獲得良好的綜合力學性能，一般采用的常規熱處理為完全淬火+高溫回火的調質處理。但45鋼淬透性較低，淬火時要求冷卻介質的冷卻速度較大，完全淬火時工件容易出現韌性較低、硬度不均、變形開裂等問題[1-2]。為解決上述問題，需對45鋼熱處理工藝進行改進，亞溫淬火是淬火溫度在Ac1～Ac3之間的一種熱處理工藝，在兩相區加熱，淬火溫度較低，可得到馬氏體基體上分布少量鐵素體的復相組織，淬火組織中殘余的鐵素體有利于降低組織中的位錯塞積、改善韌性、降低零件的開裂傾向，提高產品綜合力學性能[3-4]。材料性能及相圖計算模擬軟件JMatPro基于材料理論性能模型及數據庫，計算準確，用于熱處理參數計算可快速確定熱處理工藝參數范圍，提高生產效率[5-7]。本文利用JMatPro對45鋼進行了熱力學計算及相轉變計算[6-10]，對不同淬火溫度下的組織及性能進行了模擬，制定出45亞溫熱處理工藝參數，并與實驗值進行比較，為制定45鋼亞溫淬火工藝提供理論依據。

一、實驗材料與方法

（一）實驗材料。實驗材料45鋼為熱軋退火態，化學成分如表1所示。

表1 45鋼化學成分（Wt%）

（二）熱力學及相轉變計算。將45鋼的化學成分輸入JMatPro軟件可進行材料的平衡相圖、TTT曲線、CCT曲線計算，根據計算結果對不同冷卻速度和不同淬火溫度下的組織及性能進行計算模擬，確定亞溫淬火最佳溫度。

（三）熱處理及性能實驗。根據軟件模擬結果確定的亞溫淬火最佳溫度，制定熱處理工藝，所有試樣全部進行850℃正火作為預先熱處理，淬火采用完全淬火及亞溫淬火進行對比實驗，回火均為高溫回火，熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 45鋼熱處理工藝曲線

對熱處理后的試樣進行金相分析、硬度測試、拉伸實驗及沖擊實驗，硬度及金相試樣為ф15×15mm,拉伸試樣為ф10mm的標準短試樣，沖擊試樣為10mm×10mm×55mm夏比U型缺口試樣。

二、實驗結果及分析

（一）45鋼平衡相圖分析。將45鋼的化學成分輸入JMatPro軟件進行熱力學計算，得如圖2所示的45鋼隨溫度變化的平衡相圖。

圖2 45鋼的平衡相組成

由圖2可知，45鋼的液相線溫度為1492℃，隨溫度降低析出高溫鐵素體和奧氏體，完全奧氏體化溫度為773℃至1409℃，725℃由奧氏體中析出滲碳體，200℃以下相組成為鐵素體、滲碳體、微量的MNS和M2P。

（二）TTT圖及CCT圖。奧氏體化溫度為860℃，晶粒尺寸為8.5ASTM，對45鋼進行相轉變計算，可得45鋼的等溫冷卻轉變曲線TTT和連續冷卻轉變曲線CCT，TTT曲線如圖3所示，CCT曲線計算結果如圖4所示。

圖3 45鋼TTT曲線

圖4 45鋼CCT曲線

由圖3可知，鐵素體的轉變開始溫度為773.8℃，珠光體的轉變開始溫度為725℃，貝氏體的轉變開始溫度為589.3℃。馬氏體的轉變開始溫度為338.7℃，轉變終了溫度為222.4℃。C曲線只有一個明顯的貝氏體轉變“鼻尖”，“鼻尖”的溫度為498℃～508℃，此溫度下過冷奧氏體最不穩定，發生貝氏體轉變的時間只有0.47s。鐵素體和珠光體轉變沒有明顯的鼻尖，在578℃～588℃過冷奧氏體發生鐵素體轉變的時間最短，是1.11s，在578℃過冷奧氏體發生珠光體轉變的時間最短，是1.79s。

由圖4可知，A1溫度為725℃，A3溫度為773.8℃，Ms溫度為338.7℃。連續冷卻的轉變組織受冷卻速度的影響，冷卻速度小于1℃·s-1，轉變產物為鐵素體和珠光體。冷卻速度為10℃·s-1，轉變產物為鐵素體、珠光體、貝氏體。冷卻速度為100℃·s-1，轉變產物主要為馬氏體及少量的鐵素體、珠光體、貝氏體及奧氏體。

不同冷卻速度下45鋼過冷奧氏體的轉變組織及力學性能見表2，隨冷卻速度的增加，轉變產物中，鐵素體、珠光體的量減少，冷卻速度在10℃·s-1～100℃·s-1轉變產物中出現貝氏體，要想獲得全部馬氏體組織，冷卻速度必須大于100℃·s-1。鋼的硬度、強度能隨過冷奧氏體冷卻速度的增加而增加。

表2 不同冷卻速度下45鋼的轉變組織及力學性能

（三）亞溫淬火工藝參數的確定。45鋼完全淬火溫度應高于A3線30～70℃，根據CCT模擬計算結果可知A3溫度是773.8℃，A1溫度為725℃，取上線完全淬火溫度為840℃，亞溫淬火的溫度區間在A1～A3之間，取770℃、760℃、750℃進行亞溫淬火，將淬火溫度輸入JMatPro軟件可進行淬火性能計算。表3為冷卻速度100℃·s-1，不同淬火溫度下的轉變產物在室溫下的組織組成。

表3 不同淬火溫度轉變產物的組織組成

由表3可知，840℃完全奧氏體化淬火，室溫組織中馬氏體含量最高，占91.48%，770℃～750℃為亞溫淬火，隨淬火溫度降低，室溫組織中馬氏體含量降低，鐵素體含量增加，珠光體、貝氏體含量變化不大。

不同溫度淬火組織的性能計算如圖5所示，亞溫淬火時,隨淬火溫度降低力學性能有所下降，840淬火溫室下屈服強度是1871.6MPa，抗拉強度是2061.7MPa，硬度是58.1HRC，770℃亞溫淬火室溫下屈服強度是1795.1MPa，抗拉強度是1993.2MPa，硬度是57.1HRC。屈服強度和抗拉強度低于770℃下降較快，而硬度變化較小，可見亞溫淬火的溫度取770℃，力學性能接近完全淬火。

圖5 45鋼不同溫度淬火組織的力學性能

通過模擬計算可確定亞溫淬火的最佳溫度為770℃。

（四）亞溫淬火實驗。

1.性能分析。對45鋼進行840℃完全淬火+570℃回火和不同溫度的亞溫淬火+570℃回火處理后的力學性能如圖6所示。由圖6可知，840℃完全淬火+570℃回火的硬度為26HRC，抗拉強度為646MPa，屈服強度為344MPa，不同溫度亞溫淬火淬火+570℃回火后，硬度、強度隨淬火溫度的降低而下降，770℃淬火硬度為25.1HRC、抗拉強度為621MPa，屈服強度為336MPa，淬火溫度低于770℃，硬度、強度下降較快。840℃完全淬火+570℃回火的沖擊吸收功為112J，亞溫淬火的沖擊吸收功隨淬火溫度升高而增大，在770℃出現峰值,沖擊吸收功為125J，高于完全淬火。由此可見，770℃亞溫淬火+570回火可獲得良好的綜合力學性能，實驗與模擬計算的結果相符。

圖6 45鋼不同淬火溫度+570℃回火的力學性能

2.金相組織分析。圖7為45鋼在不同溫度淬火+570℃回火后的組織，完全淬火+570℃的組織為回火索氏體，770～750℃亞溫淬火+570℃回火的組織是回火索氏體+鐵素體，隨亞溫淬火溫度降低組織中鐵素體量含量增加，回火索氏體量增減少。750℃淬火的組織中鐵素體含量最多，而且呈大片狀，鐵素體為軟韌相，因而強度、硬度最低。770℃淬火組織中鐵素體含量較少，并且呈粒狀分布于晶界，由于粒狀鐵素體的存在，使45鋼的韌性較完全淬火有所提高，并且強度、硬度降低較小，能夠獲得較好的綜合力學性能[11]。

圖7 45鋼不同淬火溫度+570℃回火的金相組織

三、結論

（一）45鋼的液相線溫度為1492℃，室溫下平衡相主要為鐵素體、滲碳體，A1線溫度為725℃，A3線溫度為773.8℃，Ms溫度為338.7℃。

（二）45鋼連續冷卻的轉變組織受冷卻速度的影響，冷卻速度為100℃/s，轉變產物主要為馬氏體及少量的鐵素體、珠光體、貝氏體及奧氏體。隨亞溫淬火溫度降低，室溫組織中馬氏體含量降低，鐵素體含量增加，珠光體、貝氏體含量變化不大。

（三）45鋼亞溫淬火時隨淬火溫度降低力學性能有所下降，屈服強度和抗拉強度低于770℃下降較快，而硬度變化較小，亞溫淬火的溫度取770℃時，力學性能接近完全淬火。

（四）經亞溫淬火實驗驗證，45鋼經770℃亞溫淬火+570℃回火獲得回火索氏體及少量粒狀鐵素體組織，具有較好的綜合力學性能。