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谈谈中碳结构钢的热处理强韧化工艺及其应用

发布时间：2024-08-22

摘　要：本文概述了生产实践中，中碳结构钢的常用热处理强韧化工艺，并以实例阐述其应用效果，旨在通过实例启发读者结合自己的工作进行广泛地拓展应用。

关键词：生产实践；中碳结构钢；强韧化工艺；实例效果

随着机械工业的快速发展，并向高速、重载、高温和抗磨等方面迈进。因此，对其零部件的性能要求愈来愈高。在力学性能方面，以往的传统材料和工艺方法，常常是追求强度和硬度时，必须牺牲韧度和塑性，反之亦是。因此，对于那些要求强度和韧度兼备的零件，采用传统材料和工艺方法已远远满足不了要求。在这样的背景下，材料和热处理工作者们经过努力研发了一些使材料能强韧化的热处理工艺，使零件力学性能强韧兼备。

 一、常用的热处理强韧化方法概述

目前，在生产实践中常用的热处理强韧化方法，可大致归纳为以下几个方面。

1）由于热处理工艺的创新和应用，使传统材料的性能潜力被大大发掘出来。例如，由于低碳马氏体淬火工艺的广泛应用，可以使低碳钢获得强韧兼优的性能，使低碳碳素钢和低碳合金钢在生产和生活中发挥更大作用

2）传统的不完全淬火工艺，发展为亚温淬火工艺后，使中、高碳钢淬火加热时的组织组成合理搭配和形态的改善，使淬火后的强度不降低的同时，韧度却大为提高，也是热处理工艺使性能强韧化手段和方法之一。

3）适当提高传统的完全淬火加热温度，由于高温奥氏体中的碳更充分均匀化，使得某些中碳钢和中碳合金钢淬火后获得较多的板条马氏体组织及其强韧性。

4）复合等温淬火，得到马氏体和贝氏体混合组织和强韧性，在多方面得到应用。   

5）快速加热循环淬火，零件晶粒度的超细化，可使强度和韧性同时提高。

6）贝氏体等温淬火，是较早作为提高零件韧度的热处理工艺方法之一。

7）在确保晶粒度不超标的条件下，适当提高淬火温度使组织成分更加均匀，也可使强度和韧性不同程度的提高。

8）关于碳化物的数量、大小、形态及分布对强韧性影响的研究和应用，也是很重要的一个方面。

其中，亚温淬火、高温淬火、快速加热循环淬火以及复合处理等，在中碳结构钢的强韧化应用方面得到更多的试验研究和应用。

二、中碳结构钢制典型件的强韧化实例

例1. 亚温淬火在45钢制柴油机螺柱上的应用

45钢亚温淬火工艺试验表明，其最佳淬火温度为760～780℃，保温时间比常规淬火要延长1/2～1/3，回火温度比常规淬火的要低20～30℃。

例如，对45钢制螺柱进行工艺试验表明，将淬火温度从常规850℃降到790℃加热后水中冷却硬度为59～61 HRC，仍有少量开裂；采用770℃亚温加热淬火，硬度控制在56～58 HRC时可完全避免开裂现象。

再如，对截面厚薄相差悬殊的45钢制连结盘工艺试验表明，采用800℃加热后水淬/油冷的双液淬火，截面厚的部分有先析出铁素体。如果淬火前增加860℃正火，然后在760～770℃加热直接于水中冷透，硬度≥53 HRC，无裂纹，甚至返工1～2次也无裂纹。

目前，45钢的亚温淬火已运用到柴油机的许多零件上，如汽缸盖、螺母、垫片、螺柱和连接盘等。

例2. 渗碳后亚温直接淬火在25MnTiB钢制齿轮渗碳后的应用

齿轮渗碳-亚温直接淬火的试验研究，旨在减小渗碳齿轮的淬火变形，并提高其力学性能，从而有助于提高齿轮装配精度和运转时的失效抗力，延长其使用寿命。工艺试验结果表明，在实验室和生产条件下所取得的初步结果与理论分析基本一致，即齿轮气体渗碳后，随炉冷却到740～760℃进行亚温直接淬火，可以获得十分良好的金相组织和硬度，其突出效果是减小了淬火变形。

工艺试验过程发现，渗碳齿轮亚温直接淬火可明显地降低齿轮渗碳层中的碳化物和残留奥氏体的等级，且表面和心部硬度均有提供的趋势。25MnTiBR钢制拖拉机内齿圈渗碳-亚温直接淬火（图1）的初步生产实践表明，这一工艺可为解决渗碳钢制齿轮淬火变形提出一个新途径。

图1  内齿圈结构和规格

质量检测结果：渗碳层深为0.9～1.4mm；表面硬度为58～64 HRC；心部硬度为35～48 HRC；金相组织符合相关标准（JB1636）的规定；椭圆度和不平度均不大于0.20mm。

例3. 亚温淬火在40Cr钢制大直径零件上的应用

大直径40Cr圆钢棒淬火时往往淬不硬，例如直径Φ60mm的钢料，860℃加热油淬后表面硬度一般在28～35HRC之间，其组织为托氏体为主，铁素体较多，马氏体很少，力学性能较差。预测实施亚温淬火，以水代油予以冷却，则可能解决硬化问题.。

试验工艺：加热到800℃，保温90～120min，冷却到750℃（其Ac3=775℃）水冷，表面硬度可达55HRC，淬硬层为15mm以上。

在实际生产中，对40Cr钢制直径Φ60×422mm的拖拉机回转轴，按上述工艺进行热处理，装机运转几年来性能一直稳定。

如所知，40Cr钢完全淬火采用水冷通常易产生裂纹，但在亚温淬火水冷后，由于组织中有一定数量的塑性好的铁素体存在，对淬火应力起着缓冲作用，所以不易开裂。

资料所载和本试验均表明：40Cr钢的亚温淬火最小不裂尺寸为25mm。故直径大于25mm的40Cr钢圆棒均可采用亚温淬火。

例4. 亚温淬火在降低20钢拉铰加工粗造度上的应用

凿岩机套管采用20钢钢管扩孔后拉削和铰削成型，其粗糙度要求Ra =1.6μm,由于该件对强度、硬度无特殊要求，若不经热处理或经900℃正火均达不到粗糙度要求；若经900～920℃加热，在10%NaCl（质量分数）水溶液中冷却，回火到25～30HRC，虽然拉削和铰削粗糙度满足要求，但扭曲变形严重；拟采用亚温淬火解决变形问题。

如所知，亚温淬火有两种加热方式（略）。工艺试验表明：两种加热方式的亚温淬火，并在250℃回火后，其表面粗糙度均可满足要求，但考虑避免组织中出现太多铁素体而影响其力学性能，所以采用900～920℃加热稍加预冷后在10%NaCl（质量分数）水溶液中冷却。

三年多的实践证明，采用亚温淬火对减小变形和刀具磨损，降低拉削和铰削的粗造的是行之有效的工艺。

例5. 高温淬火在3Cr2W8V钢制压铸模上的应用

3Cr2W8V钢制铝合金外壳压铸模，经常规工艺1050～1100℃淬火和600℃回火后，使用寿命仅有3～4万件。采用1180℃高温淬火和600℃×30h的回火后，硬度50～52HRC，使用寿命达10万次以上。

试验表明，随着淬火加热温度升高，钢的热疲劳强度增大，当温度增至1180℃时，热疲劳抗力达到最大值。继续升高温度热疲劳抗力开始下降，裂纹扩展速率加快。回火工艺试验表明，其温度超过600℃，热疲劳抗力开始下降。

正式投产的热处理工艺为：600℃低温预热透烧后，随炉升至850℃透烧后继续升至1180℃透烧后，淬入油中冷却至200℃左右出油空冷；600℃×2h×2次回火。

例6.高温淬火在5CrMnMo钢制小型热锻模上的应用

据资料所载，高强度中碳合金结构钢经超高温淬火加热后，快冷形成的板条马氏体组织，可使其断裂韧性明显提高；另据报道，5CrMnMo钢制热锻模淬火加热温度从传统的850℃左右提高到890℃油冷后其冲击韧性也明显提高。

通过生产条件下的工艺试验和实际生产验证了上述报道的可靠性：

（1）提高淬火加热温度到890℃，可使5CrMnMo钢制高度为280mm的热锻模组织呈现细板条马氏体为主的混合马氏体。在该温度下延长保温时间，不造成组织显著粗化。

（2）890℃的高温加热油冷淬火，经500℃回火后，可使5CrMnMo钢的强度、塑性及韧性，特别是断裂韧性等综合力学性能普遍提高。但加热温度过高，或本质细晶粒钢在晶粒显著增大的温度以上，延长保温时间都会导致断裂韧性降低。

（3）提高5CrMnMo钢制热锻模淬火加热温度，采取预冷等工艺措施，不会导致模具变形和开裂加剧。

（4）对5CrMnMo钢制热锻模，采用890℃淬火加热，与采用850℃淬火加热工艺比较，不论在生产周期和能量消耗方面，还是在组织性能方面，都具有全面的优越性。

例7.高温淬火在3Cr2W8V钢制压铸模上的应用

3Cr2W8V钢制铝合金外壳压铸模，经常规工艺1050～1100℃淬火和600℃回火后，使用寿命仅有3～4万件。采用1180℃高温淬火和600℃×30h的回火后，硬度50～52HRC，使用寿命达10万次以上。

试验表明，随着淬火加热温度升高，钢的热疲劳强度增大，当温度增至1180℃时，热疲劳抗力达到最大值。继续升高温度热疲劳抗力开始下降，裂纹扩展速率加快。回火工艺试验表明，其温度超过600℃，热疲劳抗力开始下降。

正式投产的热处理工艺为：600℃低温预热透烧后，随炉升至850℃透烧后继续升至1180℃透烧后，淬入油中冷却至200℃左右出油空冷；600℃×2h×2次回火。

例8.高温淬火在5CrMnMo钢制小型热锻模上的应用

据资料所载，高强度中碳合金结构钢经超高温淬火加热后，快冷形成的板条马氏体组织，可使其断裂韧性明显提高；另据报道，5CrMnMo钢制热锻模淬火加热温度从传统的850℃左右提高到890℃油冷后其冲击韧性也明显提高。

通过生产条件下的工艺试验和实际生产验证了上述报道的可靠性：

（1）提高淬火加热温度到890℃，可使5CrMnMo钢制高度为280mm的热锻模组织呈现细板条马氏体为主的混合马氏体。在该温度下延长保温时间，不造成组织显著粗化。

（2）890℃的高温加热油冷淬火，经500℃回火后，可使5CrMnMo钢的强度、塑性及韧性，特别是断裂韧性等综合力学性能普遍提高。但加热温度过高，或本质细晶粒钢在晶粒显著增大的温度以上，延长保温时间都会导致断裂韧性降低。

（3）提高5CrMnMo钢制热锻模淬火加热温度，采取预冷等工艺措施，不会导致模具变形和开裂加剧。

（4）对5CrMnMo钢制热锻模，采用890℃淬火加热，与采用850℃淬火加热工艺比较，不论在生产周期和能量消耗方面，还是在组织性能方面，都具有全面的优越性。

例9.等温淬火在3Cr2W8V钢制尖嘴钳热压模上的应用

3Cr2W8V钢制尖嘴钳热压模尺寸为75mm×75mm×105mm.原来热处理工艺为：590～610℃预热90min后升温到1090～1100℃保温45min于油中冷却，约200～300℃出油空冷。随后经620℃×4h×2次回火。处理后硬度为38～40 HRC，在摩擦压力机上使用寿命为4000件左右，其失效特征为热疲劳龟裂严重，显示模具型腔韧性不足。

为了提高其冲击韧性，采用贝氏体等温淬火：200℃×60min升至560℃×40min两段预热后继续升温到1050～1060℃×30min加热，随后预冷到950℃转入280℃×5min的硝盐浴等温后空冷，最后在380℃×240min回火。经上述处理的模具使用寿命提高到20000件，即提高五倍左右。

例10.等温淬火在CrWMn钢制精密字块凸模上的应用

CrWMn钢制精密字块凸模的热处理：首先涂抹防氧化涂料并烘干后，装在（600～650）℃保温25～35min的箱式炉中预热，然后将炉温升高到790～800℃保温20min后立即淬入190℃硝盐浴等温保持15～20min后空冷。最后经180～200℃保持2h后空冷的回火。

该CrWMn钢制凸模原工艺为：820℃加热透烧后油冷，180℃保持2h回火，硬度为60～62 HRC，使用寿命为4000～5000件，失效特征为脆裂。分析认为是冲击韧性不足所致。同一凸模改用上述等温淬火后，硬度为58～59 HRC，使用寿命提高到4.5～12万件，几乎不再发生脆裂。

CrWMn钢制小型凸模采用低温短时加热等温淬火后，可获得低碳马氏体与细小片状马氏体混合组织，虽然硬度稍许较低，但韧性明显提高，因此可显著提高模具使用寿命。

例11.等温淬火在Cr12MoV钢制滚丝模上的应用

Cr12MoV钢制滚丝模的常规淬火回火工艺为：将其装入盛有铸铁屑的铁箱中，然后随炉升温到540～560℃，并按2min/mm计算保温时间予以预热，随后再升温到980～1000℃，并保温120min，在油中淬火冷却;在180～200℃保持3.5～4.0min空冷回火。

常规淬火回火后的使用寿命为0.5～1.0万件。其主要失效形式为严重掉牙。分析认为是冲击韧性较差的缘故。为提高其韧性采用等温淬火：

（1）540～560℃，并按2min/mm计算保温时间予以预热，随后再升温到1000℃，并保温120min，随后淬入280℃的熔融硝盐中保持4h等温淬火后空冷；最后在400℃保持1.0～1.5h回火，硬度为54～56HRC。用滚丝模加工45钢制螺丝，使用寿命由原来常规处理的0.5～1.0万件提高到5～8万件，即提高4～5倍。

例12.复合等温淬火在6CrW2Si钢制冷剪刀上的应用

2000kN冷剪机用的6CrW2Si钢制剪刃，其外形尺寸为650mm×150mm×50mm。根据剪刃工作条件，刃口需要有足够高的强度和硬度，同时还需要一定的韧性和塑性，即具有良好的强韧性和耐磨性。

（1）失效分析：剪刃使用过程主要失效形式为崩刃和掉块。实际情况是一个班平均要报废2～3副剪刃，导致操作者劳动强度大大增加、生产效率降低、成本提高。为此，进行了重要改进。

（2）热处理工艺：加热前涂防氧化涂料，烘干后在940℃加热90min后淬油，冷却到Ms点稍许停留，使其产生少量马氏体后迅速转入260℃硝盐浴中保持45min空冷，以期获得较多的下贝氏体组织。最后进行260℃加热保持90nin后空冷的回火。

（3）处理效果：经上述处理后其变形度极小，不直度由原来的1～2mm降到0.2～0.3mm；硬度为52～53HRC。使用寿命由原来一个班使用2～3副，提高到一副剪刃连续使用3个班，即使用寿命提高5～8倍，其失效形式为正常磨损和局部压塌。磨损后的剪刃可以刃磨后继续使用。

例13. 复合等温淬火在20Cr2Ni4MoV钢制汽轮机转子上的应用

图2所示为26Cr2Ni4MoV钢制汽轮发电机转子的复合等温淬火工艺。汽轮发电机转子是火力发电设备中的重要大型零件。由于工作时转速高，则离心力、扭转应力和弯曲应力均很大。因此，要求转子的整个截面有很好的强度、塑性和韧度。常规处理是正火（鼓风冷却）+高温回火。其结果往往是转子的冲击韧性，特别是切向韧性较低，有时切向伸长率不合格。生产中常常返修。采用图4-47所示工艺取得很好效果。其中，水冷增加了心部强度，等温处理确保其强韧性，复合等温淬火后的低碳马氏体和贝氏体混合组织，为高温回火奠定良好基础。经上述处理后，比原有工艺的处理结果相比，各项力学性能指标提高约4%～25%，特别是屈服强度大幅度提高，脆性转变温度大幅度降低，达到了转子的技术要求。

图2  26Cr2Ni4MoV钢汽轮发电机转子复合等温淬火工艺

例14.65Mn钢丝超细晶粒的热处理工艺

弹簧是各种机械的重要基础零件，由于其工作条件和承载特点决定它应具备足够的强韧性和疲劳强度。有关资料 显示：弹簧钢的屈服强度与晶粒度有直线关系，即晶粒度越细，其屈服强度越高；同时，据资料报道：采用快速加热获得超细晶粒是提高钢材强韧性的一个重要途径，这不仅能提高钢材的屈服强度，而且能提高其疲劳强度和松弛性能。

为了使65Mn弹簧钢丝（直径Φ2.5mm）获得超细化晶粒，进行了电接触快速加热分级淬火试验。钢丝热处理工艺参数为：预热温度400℃，分级温度为380℃，钢丝运行速度和加热时间，分别为150mm/s,加热时间5s和66mm/s,加热时间10s.探讨了加热温度、加热速度和原始组织等因素对获得超细化晶粒的影响规律。

试验结果表明：

（1）快速加热是获得超细化晶粒的主要因素。但加热速度小于200℃/s范围内变化，对晶粒度级别的影响并不显著。因此，用电接触快速加热以获得超细晶粒是可行的。

（2）原始组织细小和适当的变形度是一次快速加热获得超细晶粒的先决条件。因此，预先正火或冷拔变形不可忽视。

（3）控制加热温度是保证获得超细晶粒的另一主要因素。对于要求耐疲劳性能的弹簧钢丝加热温度应控制在Ac3～晶粒粗化之前的温度之间。

例15.3Cr2W8V钢制精锻齿轮的晶粒超细化处理

3Cr2W8V钢制精锻齿形模精锻圆锥齿轮在850-950℃连续锻压，最终使齿形成形，有时工作温度还偏低，所以要求模腔具有高以强度为主的力学性能。采用循环相变超细化处理，通过1050℃二次加热淬火，增加形核率，抑制晶粒长大，晶粒度达11级以上。600℃回火后硬度为45～48 HRC，冲击韧性有所提高。

生产实践表明，该模具经循环相变超细化处理后，一次可精锻500件，齿形变形小于0.02mm。精锻圆柱齿轮模具采用强韧化热处理工艺后，模具使用量减少2/3。

3Cr2W8V钢制精锻齿形模热处理工艺如图3所示。

图3. 3Cr2W8V钢制精锻齿形模热处理工艺曲线

来源：热家网

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