钢热处理工艺.docx

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钢热处理工艺

45号钢热处理工艺

学号：

XXXXXX

姓名：

XXXXX

指导老师：

XXX

一、综述

【内容摘要】：

45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。

它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

45钢淬火温度在A3+（30～50）℃，在实际操作中，一般是取上限的。

偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。

为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。

【关键字】：

调质淬火45钢的调质淬火回火45钢淬火后的回火

1．调质淬火

调质是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。

为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在0.30~0.50%。

调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。

通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。

淬火

——淬火是将工件加热到AC3或AC1点以上某一温度保持一定时间。

然后以适当速度快速冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。

目的：

就是为了获得马氏体或下贝氏体组织，提高强度硬度，以便在随后不同温度回火后获得所需要的性能。

（1）淬火加热温度

淬火温度主要是根据Fe—Fe3C相图中钢的临界点确定。

亚共析钢的淬火加热温度：

AC3以上30℃~50℃，使钢完全奥氏体化，淬火后获得全部马氏体组织。

共析钢、过共析钢的淬火加热温度：

为AC1以上30℃~50℃，得到奥氏体和部分二次渗碳体，淬火后得到马氏体（共析钢）或马氏体加渗碳体（过共析钢）组织。

（2）淬火冷却

淬火冷却时，要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂。

因此，淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂。

常用冷却介质：

目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。

实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求。

水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适。

油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。

（3）淬火冷却方法

①单介质淬火是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。

这种淬火方法的优点是操作简便，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。

形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬，小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。

缺点对大尺寸和或形状复杂的工件，采用水淬变形开裂倾向大，而油淬冷却速度小，淬不硬。

②双介质淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力弱的介质中冷却。

常用的有“水——油”、“水——空”双介质淬火。

这种方法能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。

但操作时应严格控制工件在水中的停留时间，要求操作工人必须具备丰富的经验和熟练的技术。

2．45钢的调质淬火：

45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。

它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

45号钢的淬火温度在820~840度左右，在实际操作中，一般是取上限的。

偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少。

为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间,一般为1min/mm,如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。

不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。

但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。

我们认为，如装炉量大，加热保温时间需延长1/5。

因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液,45号钢水淬容易有软点的.。

水温要小于30°。

工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。

因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。

由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。

另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。

静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。

45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中。

3．回火

——回火是将工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

回火使工件获得所需的使用性能。

（1）回火目的

钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，并且有内应力产生，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在内应力作用下容易产生变形和开裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。

因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。

回火的目的是：

①减少或消除淬火内应力；②稳定组织，稳定尺寸；③降低脆性、获得所需要的力学性能。

（2）回火时组织与性能的变化

淬火钢的组织转变可分为四个阶段：

马氏体的分解（200℃以下）→残余奥氏体分解（200～300℃）→渗碳体的形成（250～400℃）→渗碳体聚集长大（400℃以上）。

随着回火温度升高，淬火内应力不断下降或消除，硬度逐渐下降，塑性、韧性逐渐升高。

（3）常用回火方法

①[低温回火]（<250℃）低温回火后得到回火马氏体组织。

其目的是降低钢的淬火应力和脆性，回火马氏体具有高的硬度（一般为58~64HRC）、强度和良好耐磨性。

因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。

②[中温回火]（250℃~500℃）中温回火后得到回火托氏体组织。

使钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度（一般为35~50HRC），良好的塑性和韧性。

中温回火主要用于各种弹性元件及热作模具。

③[高温回火]（>500℃）高温回火后得到回火索氏体组织。

工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

调质后，钢具有优良的综合力学性能（一般硬度为220~230HBS）。

高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的曲轴、连杆、螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。

4．45钢淬火后的回火

（1）加热温度通常为200℃，硬度要求为HRC44~48。

200℃回火金相为回火马氏体.图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。

关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。

（2）45钢淬火后硬度不足，主要原因有两方面：

①45钢加热温度偏低，或保温时间不足。

在此状态下，组织中奥氏体的碳和合金元素含量不够，甚至组织中还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体，导致45钢淬火后硬度达不到。

②45钢加热温度过高，或保温时间过长，造成45钢表面脱碳，导致硬度变低。

结论：

1.淬火条件影响样品的组织和性能。

2.回火温度影响样品的组织和性能。

3.碳元素影响样品的组织和性能。

45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性，但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷，通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响，对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能，找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律，并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析，最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。

二、选题依据

45号钢是优质碳素结构用钢，硬度相对不高，切削加工相对容易。

45号钢既能做模具模板，又可制造曲轴、轴、活塞销、工夹具等要求强度较高的零件，应用十分广泛。

为使45钢具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

它不改变45钢的外形，通过热处理能充分发挥45钢的潜力，并赋予45钢所需要的各种特殊性能，达到提高45钢质量，延长使用寿命，确保机器运行安全可靠的目的。

亚温淬火作为45钢的一种强韧化工艺，正在国内外迅速发展。

一方面它能提高45钢的强韧化效果，阻碍裂纹的扩展，改善有害杂质的分布，提高45钢的综合机械性能；另一方面由于其加热温度较低，因此可降低加热成本，提高能源利用率[3]。

尽管热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性，但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷，使45钢成为不合格品或废品，造成经济损失，如果热处理缺陷不能及时发现，带有缺陷的45钢产品投入使用，可能会引起重大事故。

为此本文通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响，对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能，找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律，并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析，最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。

三、实验材料与设备

1.实验设备

（1）热处理加热炉：

箱式电阻炉；HR-1500洛式硬度计（洛氏硬度C标尺）；金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸；抛光机及抛光液；

（2）浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、脱脂棉、滤纸等；

2.实验材料

试样：

直径φ10mm，高度15mm的45钢，T8钢圆柱状小试样。

三、实验过程

利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理（淬火加560℃回火）、测硬度以及显微组织观察分析。

本实验以得到马氏体为目标，需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。

1.试样的热处理

（1）淬火

①加热温度根据本实验热处理的目的，本实验选择淬火加热温度为840℃

②保温时间本45号钢样品直径为φ10mm的小圆柱体，高度与直径相差不大。

所以不单独考虑升温时间，α取2min/mm，k取1。

根据实验原理中的式子t=α⋅K⋅H，计算得加热时间为20min。

③冷却介质由45钢的连续冷却转变曲线可知，碳钢的临界冷却速度很大，应选用具有较强冷却能力（见表4.1常用冷却介质的冷却直径）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线与C曲线相交，得到索氏体组织。

已查得45钢淬火临界直径如表4.1所示，选择水作为淬火冷却介质能保证φ10mm圆柱样品被淬透。

淬火介质

静油

20℃水

40℃水

20℃5％

NaCl水溶液

临界直径（mm）

10

20

16

21.5

表4.1常用冷却介质的冷却直径

具体操作：

把样品放入箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，调节加热温度，待测温仪显示为840℃时开始计时，保温20min后，用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌，使样品能淬透。

（2）回火

①加热温度实验要求的回火加热温度为560℃（在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织）

②冷却介质空气，进行空冷。

具体操作：

把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的560℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，待使炉温稳定后开始计时，保温30min后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。

2.试样硬度测定

将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨，去掉表面氧化皮。

用360#砂纸将试样表面磨平，再依次使用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸打磨。

然后，将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品硬度（硬度计压头为金刚石，量程20～70HRC，加载载荷为150kg）。

在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据，后三个点计入数据，若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀，最后对三个测量值求平均值。

3.显微组织观察与拍照记录

（1）样品的制备

①样品的磨光。

用一套金相砂纸（包括360#，400#，600#，800#，1000#，1200#、1500#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。

注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90°，以便于观察原磨痕的消除情况。

最后，将样品在磨光机上磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。

②样品的抛光。

样品在金相样品抛光机上细抛，使样品表面达到光亮如镜的光洁度。

③显微组织的显示。

将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。

本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲

（2）显微组织的观察与记录

制备好的样品用显微镜在40～400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。

选择合适的放大倍数（200倍，400倍）利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。

五、实验结果与分析

1.样品硬度与显微组织分析

（1）处理方式：

无处理

组织分析：

铁素体和珠光体，但比退火的晶粒要小，硬度要高一些。

图5.1200×45钢原样图5.2400×45钢原样

（2）处理方式：

840℃淬火

组织分析：

针状淬火马氏体和残余奥氏体。

图5.3200×45钢淬火图5.4400×45钢淬火

（3）处理方式：

560℃回火调质

组织分析：

铁素体和粗粒渗碳体的混合物――回火索氏体。

回火索氏体在光学显微镜下呈较为粗大的晶体颗粒，其内分布着细均匀颗粒小球状碳化物。

从图中可看出样品浸蚀效果较好，渗碳体微粒能比较清楚的呈现。

图5.5200×45钢回火图5.6400×45钢回火

测得该样品硬度为28HRC。

根据其硬度和微观组织形貌可以判断，生成了回火索氏体。

因此，实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织，且硬度实验值也与手册符合得较好。

2.硬度测试数据

组别

硬度

1

2

3

4

平均

原始硬度

22

26

20

24

23

淬火后硬度

51

53

52

56

53

回火后硬度

23

26

31

27

28

表5.145号钢不同状态下硬度硬度单位：

HRC

组别

硬度

1

2

3

4

平均

原始硬度

35

38

40

37

35

淬火后硬度

65

62

63

60

62.5

回火后硬度

59

60

57

60

59

表5.2T8钢不同状态下硬度硬度单位：

HRC

3.淬火对试样性能的影响

（1）淬火温度的影响

45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30～50℃，淬火温度选840℃可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。

若在Ac3以上过高温度如1000℃加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。

若在Ac1～Ac3之间的两相区加热，如770℃淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表5.2），力学性能降低。

（2）淬火介质的影响

常用淬火介质及其冷却能力如表5.2常用淬火介质及其冷却能力所示，可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂，另外水冷却能力对温度变化敏感，水温升高，冷却能力急剧下降。

油全程冷却速度均比水小，在低温区冷却速度合适，但在高温区冷却能力却很低。

淬火介质

冷却速度（℃/s）

在650~550℃区间

在300~200℃区间

水（18℃）

600

270

水（26℃）

500

270

水（50℃）

100

270

矿质机油

100

20

表5.3常用淬火介质及其冷却能力

碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显微组织。

若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小，冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖”处相交，转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出，并连成网状结构，室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织，使强度降低，硬度明显下降（见表5.345钢不同回火温度与测量硬度值）。

4.回火对试样的影响

（1）回火温度对45钢组织的影响

钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。

一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。

随回火温度升高，转变大致分为五个阶段：

①马氏体中碳原子的偏聚；②马氏体的分解；③残余奥氏体的转变；④碳化物的转变；⑤碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。

45钢在150～350℃低温回火，得到回火马氏体组织。

回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。

低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显著区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。

在350～500℃中温回火后，得到回火屈氏体组织。

由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化，条状α相上分布着微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。

在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织。

这时α相发生再结晶，由等轴状铁素体逐步代替针状α相。

其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织，光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。

若45钢在650℃～A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。

（2）回火温度对45钢硬度和强度的影响

组别

1

2

3

4

5

回火温度（℃）

200

300

400

500

600

45钢回火后硬度（HRC）

53.6

50.9

40.1

24.5

21.53

表5.445钢不同回火温度与测量硬度值

从表5.3不同回火温度与测量硬度值，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。

45钢在200℃以下回火，硬度下降缓慢，这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物，增大塑性变形抗力，使硬度下降延缓。

200～300℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用，硬度下降趋势平缓。

300℃以上回火，随着ε碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。

碳含量对钢的淬硬性的影响

（3）以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。

原始硬度

淬火硬度

回火硬度

45钢

23

53

28

T8钢

35

62.5

59

表5.545钢和T8钢硬度

淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。

本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后，测其硬度值分别为53HRC和62.5）HRC。

比较这两数据可知，随着钢的含碳量增加，淬硬性增强。

因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加，马氏体的硬度增大，这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加，马氏体转变点Ms和Mf都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。

因此，提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。

六、结论

根据所做实验及其结果可得以下结论：

1.淬火条件影响样品的组织和性能。

淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。

淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体+铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。

淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗晶马氏体组织。

冷却速度过快，形成巨大内应力，可能发生淬裂现象。

冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成（珠光体，索氏体，屈氏体）。

2.回火温度影响样品的组织和性能。

根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）。

生产回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体。

回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，根据资料显示具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。

3.碳元素影响样品的组织和性能。

碳原子能起到固溶强化作用，对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大，马氏体越不易形成从而降低了Ms点。

同时，最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。

七、参考文献

1.中国机械工程学会热处理学会。

热处理手册（第4版）。

第1卷，工艺基础。

北京:

机械工业出版社，2008。

2.中国计量科学研究院。

黑色金属硬度及强度换算值。

中华人民共和国国家标准。

GB/T1172-1999。