已故雷廷權院士曾明確指出,中碳結構鋼在正常淬火后進行500～700℃的高溫回火,又可稱為調質處理(代號515),獲得的組織為回火索氏體,具有良好的綜合力學性能。因此,調質處理適用于較大動載荷,尤其是復合應力(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、沖擊、疲勞)下工作的工件。它們通常要求強度及韌性的良好匹配,即高的強韌性。
隨著資源節約型社會的建設和高強度輕量化產品發展的需要,將傳統的調質處理和調質鋼進行細化分類,是不斷提高調質處理質量的重要保證。而采用低碳馬氏體鋼代替調質鋼,則是結構鋼熱處理發展的一個重要途徑。
一、調質的分類
調質處理的目的是使工件獲得良好的綜合力學性能,而不僅僅是硬度,所以,調質處理應按綜合力學性能分為高韌性調質、強韌性調質和高強度調質3類。高韌性調質是工件經淬火后進行650～700℃超高溫回火,也稱韌化處理。不僅可以使工件獲得一定高的強度和塑性,而且可以獲得相當高的韌性。調質后的力學性能列于表1。高韌性調質非常適用于冷鐓、冷擠壓用鋼的調質球化處理,緊固件、成形件、彎折件的調質處理,以及高韌性軸、桿件的調質處理。
表1 鋼高韌性調質處理后的力學性能
抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rel/MPa | 斷后伸長率 A(%) | 斷面收縮率 Z(%) | 沖擊吸收功 Akv(0℃)/J | 硬度 HBW |
500～650 | 350～500 | 22～32 | 60~75 | 80～250 | 160～230 |
強韌性調質是傳統的調質處理,工件淬火后常在550～650℃高溫回火,目的在于提高鋼的韌性,使強度和韌性相匹配,得到較高的綜合力學性能。強韌性調質適用范圍很廣,約80%以上中碳結構鋼工件都采用此類調質。鋼調質后力學性能列于表2。
表2 強韌性調質處理后的力學性能范圍
抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 ReH/MPa | 斷后伸長率 A(%) | 斷面收縮率 Z(%) | 沖擊吸收功 Akv(0℃)/J | 硬度 HBW |
650～900 | 500～700 | 15～25 | 45～65 | 50～150 | 240～300 |
高強度調質也稱硬性調質,工件淬火后進行500～600℃的高溫回火,是使工件在獲得較高的塑性、韌性的同時顯著提高硬度和強度。此工藝非常適用于減重、輕量化工件,如高強度緊固件、高強度鋼拉桿、錨桿,各種軸類件等要求高疲勞性能、高壽命的工件。鋼調質后的力學性能列于表3。
表3 高強度調質處理后的力學性能范圍
二、調質鋼的分類
文獻強調指出,影響調質處理質量最重要的因素是鋼的淬透性。淬透性不同的鋼,淬火后得到的淬透層深度便不同,顯微組織也不同,因而沿截面分布的力學性能也就不同。工件的力學性能要求越高,尤其當工件的截面尺寸很大時,淬透性的影響也就越大。因此,按鋼的淬透性高低,調質鋼分為淬透性最低調質鋼、淬透性較低調質鋼、淬透性較高調質鋼和淬透性最高調質鋼4類。淬透性最低的調質鋼是指經20℃水淬,臨界直徑15～23mm的中碳非合金鋼(中碳碳素鋼)。如35鋼、40鋼、45鋼、50鋼。其中45鋼(代號U20452)是我國應用最普遍、使用量最大的調質鋼。由于淬透性最低,因此45鋼的調質處理只適合截面尺寸小于25mm的小工件。但是多年來,許多企業對45鋼的調質處理恰恰忽略了淬透性這個最重要的質量特性,不僅截面尺寸60～100mm的工件,甚至直徑300～500mm大型軸類件的預先熱處理也采用調質處理。由于截面尺寸效應,工件尺寸越大淬火后硬度越低,淬硬層越淺,工件的綜合力學性能也就越低。特別是由于粗車余量(一般3～5mm),45鋼工件調質處理后的精車會將工件的大部分甚至全部淬硬層加工掉。由于當工件直徑大于60mm時,調質后的性能與正火后的性能相近,尺寸大于100mm時表面甚至無法得到馬氏體組織,所以45鋼大截面尺寸工件應在正火或表面淬火狀態下使用。淬透性較低的調質鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為30～54mm,油淬臨界直徑為19～40mm的中碳低合金鋼(質量分數一般不大于2.5%)。主要有35Cr、40Cr、45Cr、35Mn2、40Mn2、45Mn2鋼等,其中40Cr鋼(代號A20402)是我國使用量最大的合金調質鋼。常用于中等截面尺寸、力學性能要求比非合金鋼(碳鋼)高的調質件。淬透性較高的調質鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為42～85mm,油淬臨界直徑為30～6mm的中碳低合金鋼。主要有30CrMnSi、35CrMnSi、35CrMo、42CrMo、40CrNi鋼等。35CrMo(代號A30352)、42CrMo(代號A30422)鋼是最常采用的中碳低合金調質鋼,主要特點是強度高,韌性好,淬透性較40Cr鋼高,在高溫下有高的蠕變強度和持久強度,可在500℃溫度下長期工作。淬透性最高的調質鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為60～126mm,油淬臨界直徑為46～114mm的中碳低合金鋼和中碳中合金鋼。主要鋼種有40CrNiMoA(代號A50403)、agtCrMnMo(代號A34402)、37CrNi3(代號A42372)鋼等。常用于制造大截面、承受沖擊載荷的高強度零件,如臥式鍛造機的傳動偏心軸,鍛壓機的曲軸,高強度拉桿、錨桿等。上述4類調質鋼,僅涵蓋了普通機械用調質鋼,由于鋼的化學成分不同,截面尺寸不同,熱處理工藝不同,因此各類之間沒有嚴格的界限。
三、低碳馬氏體鋼代替調質鋼
雷廷權院士特別強調,調質處理是在犧牲強度的條件下提高塑性及韌性的工藝,對發揮材料的潛力是十分不利的。而低碳鋼及低碳合金鋼強烈淬火成低碳馬氏體的應用日益廣泛,成為發揮鋼材強韌性潛力,延長機器零件壽命的一個重要途徑,因此在工業生產中低碳鋼強烈淬火可以代替一部分中碳鋼調質處理。(1)20Cr鋼低碳馬氏體強烈淬火代替40Cr鋼調質處理20Cr鋼在350℃回火后,強度、硬度、塑性、沖擊韌度均比調質40Cr鋼高。用20Cr鋼可以取代40Cr鋼制造鉆桿鎖接頭,可減少甚至避免滑扣失效。由于具有高的塑性、斷裂韌度、多沖抗力和冷脆轉化溫度較低(<-70℃),可顯著提高鉆桿鎖頭使用壽命。低碳馬氏體強化后具有優良的加工性能,并簡化了工序,降低了成本。這兩種鋼調質后的力學性能見表4。
表4 20Cr鋼和40Cr鋼熱處理后的力學性能對比
用20鋼鋼管代替45鋼調質制造鏈板運輸機的方套。20鋼鋼管經900℃X7min淬人10%NaCl水溶液,160℃×30min回火,硬度42～46HRC,強度比調質45鋼提高40%,簡化了工序,裝配時不發生破裂,畸變小,提高了產品質量生產效率提高了1倍以上。用20鋼代替45鋼調質制造升降臂連接銷。升降臂連接銷原采用45鋼調質處理。部分零件兩頭φ6mm孔產生裂紋。采用20鋼,1000℃×4.5～5min,淬入5%～15%(質量分數)堿水,沒有裂紋。(3)20CrMnTi鋼淬火強化代替40CrMnTi鋼調質熱處理后,20CrMnTi鋼和40CrMnTi鋼的力學性能列于表5。
表5 20CrMnTi鋼和40CrMnTi鋼熱處理后的力學性能對比
四、結束語
(1)調質處理最主要的目的是使工件獲得良好的綜合力學性能。按力學性能分類,調質分為高韌性調質,強韌性調質,高強度調質3類。(2)淬透性是影響調質處理質量的最重要的質量特性。按淬透性調質鋼分為淬透性最低、較低、較高及最高4類。(3)低碳馬氏體鋼代替調質鋼,是結構鋼熱處理發展的一個重要途徑。
作者:張垣
單位:巨力索具股份有限公司鋼拉桿制造總廠
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