【正文】 1 1 緒論 金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。 金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量。 為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù) 雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。 在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。早在公元前 770～前 222 年，中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會(huì)因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。 公元前六世紀(jì)，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國(guó)河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟 ，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。 1863 年，英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變，鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。與此同時(shí)，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對(duì)金屬的保護(hù)方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。 二十世紀(jì)以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應(yīng)用，使金屬熱處理工藝得到 更大發(fā)展。一個(gè)顯著的進(jìn)展是 1901～ 1925 年，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳； 30 年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì) ,使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法； 60 年代， 2 熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。 在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐中 ,人們對(duì)金屬內(nèi)部組織狀態(tài)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深入。特別是從 60 年代以來，透射電鏡和電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，各種測(cè)試技術(shù)的不斷完善，在研究馬 氏體形態(tài)、亞結(jié)構(gòu)及其與力學(xué)性能的關(guān)系，獲得不同形態(tài)亞結(jié)構(gòu)的馬氏體的條件，第二相的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布對(duì)力學(xué)性能影響等方面，都取得了很大的發(fā)展。建立在這些基礎(chǔ)上的淬火新工藝也層出不窮，其中亞共析鋼的亞溫淬火就是其中之一。 亞共析鋼在1CA~3之間的溫度加熱淬火稱為亞溫淬火。意即比正常淬火溫度低的溫度下淬火，其目的是提高沖擊韌性值，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度及回火脆性傾向。 有人研究了 35CrMnSi 鋼不同淬火狀態(tài)的沖擊韌性及硬度與回火溫度的關(guān)系，可知經(jīng) 930℃淬火 +650℃回火 +800℃亞溫淬火的韌性，隨著回火溫度的升高而單調(diào)提高，沒有回火脆性。 有人研究了直接應(yīng)用亞溫淬火時(shí)，淬火溫度對(duì) 4 40Cr 和 60 2Si鋼力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在1cA和3c之間的淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響有一極大值。在3cA以下 5~10℃處淬火時(shí) ,硬度、強(qiáng)度都達(dá)到了最大值，且略高于普通正常淬火。 第一重型機(jī)械集團(tuán)冶金研究所的劉時(shí)雨等人所做的理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 20MnMo、 12Cr1MoV 鋼（亞共析鋼）在略低于3cA的溫度奧氏體化淬火，可提高鋼的韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，并可消除回火脆性。亞溫淬火加熱溫度應(yīng)接近于3cA，以避免出現(xiàn)過多的鐵素體而影響鋼的強(qiáng)度。同時(shí)生產(chǎn)實(shí)踐 的結(jié)果表明大型低碳合金鋼鍛件經(jīng)過亞溫淬火熱處理后，與正常調(diào)質(zhì)、正常回火熱處理工藝相比，在滿足工件強(qiáng)度的條件下，不僅可以獲得更細(xì)化的晶粒組織，節(jié)省能源，為性價(jià)比極佳的一種熱處理方法。 167。 45鋼性能應(yīng)用及傳統(tǒng)熱處理方式 一 45 鋼性能應(yīng)用 45鋼用以制造蒸汽透平機(jī)、壓縮機(jī)、泵的運(yùn)動(dòng)零件；還可代替滲碳鋼制 3 造齒輪、軸 、活塞銷等零件 (零件需經(jīng)高頻或火焰表面淬火 )；并可用作鑄件。 45＃鋼廣泛用于機(jī)械制造，這種鋼的機(jī)械性能很好。但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好， 45號(hào)鋼可以淬硬至 HRC42~46。所 以如果需要表面硬度，又希望發(fā)揮 45＃鋼優(yōu)越的機(jī)械性能，常將 45＃鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到需要的表面硬度。 1. 45鋼淬火后沒有回火之前，硬度大于 HRC55（最高可達(dá) HRC62）為合格。 實(shí)際應(yīng)用的最高硬度為 HRC55（高頻淬火 HRC58）。 2. 45鋼不要采用滲碳淬火的熱處理工藝。 調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨。可用調(diào)質(zhì)＋表面淬火提高零件表面硬度。 滲碳處理一般用于表面耐磨、芯部耐 沖擊的重載零件，其耐磨性比調(diào)質(zhì)＋表面淬火高。其表面含碳量 －－ ％，芯部一般在 －－ ％（特殊情況下采用 ％）。經(jīng)熱處理后，表面可以獲得很高的硬度（ HRC58－－ 62），芯部硬度低，耐沖擊。 如果用 45鋼滲碳，淬火后芯部會(huì)出現(xiàn)硬脆的馬氏體，失去滲碳處理的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在采用滲碳工藝的材料，含碳量都不高，到 ％芯部強(qiáng)度已經(jīng)可以達(dá)到很高，應(yīng)用上不多見。 ％從來沒見過實(shí)例，只在教科書里有介紹?？梢圆捎谜{(diào)質(zhì)＋高頻表面淬火的工藝，耐磨性較滲碳略差。 二 傳統(tǒng)熱處理方式 牌號(hào) : 45 推薦熱處理 /℃ |正火 : 850 推薦熱處理 /℃ |淬火 : 840 推薦熱處理 /℃ |回火 : 600 力學(xué)性能 |σ b/MPa≥ : 600 力學(xué)性能 |σ s/MPa≥ : 355 力學(xué)性能 |δ 5(%)≥ : 16 力學(xué)性能 |ψ (%)≥ : 40 力學(xué)性能 |AKU/J≥ : 39 鋼材交貨狀態(tài)硬度 HBS10/3000，≤ |未熱處理鋼 : 229 4 鋼材交貨狀態(tài)硬度 HBS10/3000，≤ |退火鋼 : 197 167。 鋼的亞溫淬火處理 167。 亞溫淬火簡(jiǎn)介 亞溫淬火是亞共析鋼在 Ac1~Ac3溫度之間兩相區(qū)內(nèi)加熱，經(jīng)充分保溫后淬火，又稱臨界區(qū)淬火 在機(jī)器制造業(yè)中 , 廣泛采用著低、中碳碳鋼或低、中碳低合金鋼等結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼傳統(tǒng)的熱處理工藝是調(diào)質(zhì) , 即完全淬火加高溫回火。淬火所得組織為馬氏體 , 高溫回火后為回火索氏體。此種顯微組織提供了強(qiáng)度和韌性的良好配合。對(duì)亞共析結(jié)構(gòu)鋼采用完全淬火的理由是避免出現(xiàn)未溶鐵素體而使鋼的性能變壞。但近年來 , 隨著強(qiáng)韌化工藝的發(fā)展 , 人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ,對(duì)亞共析鋼采用不完全淬火有助于在不降低 材料強(qiáng)度的同時(shí)提高其韌性。所謂亞溫淬火 ,亦即亞共析鋼的不完全淬火 , 或稱臨界區(qū)淬火、兩相區(qū)加熱淬火 , 是將鋼加熱至奧氏體和鐵素體兩相區(qū)進(jìn)行淬火。亞溫淬火及隨后回火是一種使鋼強(qiáng)韌化的新工藝此工藝對(duì)鋼的原始組織有一定要求 , 一般在亞溫淬火前均需進(jìn)行一次完全淬火或調(diào)質(zhì)處理 167。 亞溫?zé)崽幚淼膹?qiáng)韌化效果 提高鋼在韌性狀態(tài)下的沖擊韌性 許多文獻(xiàn)均報(bào)導(dǎo)了亞溫淬滅可以提高鋼的室溫和低溫沖擊韌性值。例如 , 可以提高 C r 一 5 1一 N i 鋼〔 1 一 6 〕、 1 2H3 鋼〔 7〕、 45鋼、 40X鋼和 60 CZ鋼〔 8〕、 22CrMnSiMo鋼 *和 35CrMo鋼〔 9〕以及 5%Ni鋼〔 10〕等在韌性狀態(tài)下的沖擊韌性 經(jīng)調(diào)質(zhì)的和經(jīng)亞溫淬火并回火的 35 x r c 鋼 , 在σ b相同的情況下 , 后者的室溫沖擊韌性較前者約高 1 倍 (見表 1 )。 30X F C 鋼經(jīng) 780186。C或 800186。C亞溫淬火可使 5 5 0 186。C回火后的室溫沖擊韌性較 920186。C常規(guī)淬火并 550186。C回火后的約高 2 ~ 3 倍 (見 表 l ) 〔 1 1 〕。 5 表 1－ 1 亞溫淬火對(duì) 35 X 「 C鋼室沮。二的影響〔 1 〕 熱處理規(guī)范 在下列 σ b （公斤 /毫米 178。）下的 ɑＡ （公斤 *米 /厘米 178。） 110～ 120 100～ 110 95～ 100 90 930186。C淬火 +高溫回火（空冷） 930186。C淬火+800186。C淬火 +高溫回火（空冷） ～ 6 ～ 8～ 9 5 10～ 11 12 對(duì) 2 2 CrsiM o 鋼、 3 5 C r Mo 鋼、 4 0 x 鋼、 4 2 Cr M。鋼和 4 5 鋼所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果示于表 2 。由表 2 可見 , 與一般調(diào)質(zhì)工藝相比 , 在硬度、 即強(qiáng)度相同的情況下 , 亞溫淬火使 2 2C r Mn s iM。鋼于一 60186。C 的沖擊韌性提高了 20 0 % (結(jié)合斷口分析可知 , 此處包括了因脆性轉(zhuǎn)變溫度下降而使斷裂從脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)轫g斷所導(dǎo)致的沖擊韌性的提高 ), 使 35 Cr M。鋼提高了 8 3 % , 使 4 0 C r 鋼提高了 1 7 % , 而對(duì) 4 2Cr Mo 鋼和 4 5 鋼效果不明顯 表 12 各種鋼經(jīng)最佳亞沮處理與調(diào)質(zhì)后的性能對(duì)比〔 9 〕 鋼號(hào) 熱處理規(guī)范 HRC ɑk（公斤 *米 /厘米 178。） 25186。C 60186。C 22CrMnsiMo 860186。C油淬 +575186。C回火 ** 860186。C油淬 +575186。C回火 *** 860186。C油淬 +575186。C回火 +785186。C油淬 +500186。C回火 860186。C油淬 +575186。C回火 +785186。C油淬 +550186。C回火 35CrMo 860186。C油淬 +575186。C回火 860186。C油淬 +575186。C回火 +785186。C油淬 +550186。C回火 860186。C油淬 +575186。C回火 +800186。C油淬 +550186。C回火 6 40Cr 860186。C油淬 +630186。C回火 860186。C油淬 +630186。C回火 +770186。C油淬 +660186。C回火 42CrMo 860186。C油淬 +600186。C回火 860186。C油淬 +600186。C回火 +765186。C油淬 +550186。C回火 45 830186。C水淬 +600186。C回火 830186。C水淬 +600186。C回火 +780186。C水淬 +600186。C回火 35CrMo鋼的 Ac1為 755186。C,Ac3 為 800186。C； 40Cr鋼的 Ac1為 743186。C， Ac3為 782186。C 42CrMo鋼的 Ac1為 730186。C,Ac3為 780186。C； 45鋼的 Ac1為 724186。C， Ac3為 780186。C * 2CrMnsiMo鋼 的臨界點(diǎn)未查出 , 但由金相組織看出 , 該鋼經(jīng) 860℃悴火后的組 織中無鐵素體存在。而經(jīng) 800℃淬火后的組織中則有鐵素體 , 故該俐的 A cs 界于 800186。C~ 860℃ 之間。 * 此處 22CrMnsiMo鋼系將母材 35CrMo鋼用 08CrMnSiMo鋼焊絲進(jìn)行 CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊接后的焊 縫成份。焊后為類似鑄態(tài)的粗大組織。 由此看來 , 亞溫悴火的強(qiáng)韌化效果與鋼中含碳量有關(guān)。這可能是由于含碳量低時(shí) ,亞溫淬火后仍得到強(qiáng)韌性好的板條馬氏體 ,而含碳量高時(shí) , 亞溫淬火后得到的組織中片狀馬氏體量增多的緣故。這一看法與對(duì)金相組織的觀察基本符合。斷口分析進(jìn)一步證明了亞溫淬火的強(qiáng)韌化效果 : 于一 60186。C 沖斷的宏觀斷口上看出 , 經(jīng)最佳亞溫淬火規(guī)范處理后的 22CrMnSiMo鋼 , 只有標(biāo)志韌性破斷的纖維區(qū)及剪切唇 , 而沒有標(biāo)志脆性的放射區(qū) (3