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45钢的热处理及表层改性

发布时间: 2022-11-24         点击:440次         来源:45钢的热处理及表层改性

       45钢是应用最广泛的钢种之一,几乎所有的热处理工作者都和它打过交道,大多数同仁认为45钢是很难缠的“对手”,水淬易裂,油淬不硬。该钢主要用于制造各种锻件,大锻件在正火状态下使用,也可调质;小锻件基本施以调质。根据需要,淬火后也可低温或中温回火。

       随着国民经济的发展和外向型经济的需求,45钢不仅用来制造工程上的各种构件,而且可以制造低档模具,以及慢速切削丝锥、板牙等刀具,还可以用来制造钢丝钳、扳手、起子、榔头等各种五金工具,以及各种园林工具和农机工具。以下简介45钢热处理工艺及表层改性方面的工艺,供业界同仁参考。

45钢的化学成分、热处理临界点及通用工艺

    45钢的化学成分见表1,热处理临界点见表2。

表1 45钢的化学成分(质量分数) (%)

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表2 45钢的热处理临界点 (℃)

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       45钢的通用热处理工艺如下:

       1)毛坯软化处理:740~760℃×4~6h,以50~100℃/h的冷却速度,炉冷至600℃出炉空冷。
       2)正火:850~870℃加热,出炉后空冷。 
       3)调质:840~860℃加热淬火,450~550℃回火。 
       4)淬火+回火:820~840℃加热淬火,根据实际情况,选择合适的冷却剂;回火工艺根据工件要求的力学性能而定。

45钢的沸水淬火
       45钢的淬透性较差,自来水冷却时的临界淬火直径为10~15mm,盐水冷却时也不超过25mm。工件尺寸若超过临界淬火直径,则调质效果差,尺寸越大效果越差。因此,45钢的大截面工件调质处理,沿截面不会得到均匀的组织,达不到调质的效果。为了改善这一状况,一般采用提高加热温度或选用剧烈的冷却介质,前者会引起氧化脱碳,且能耗大,后者易引起变形开裂。因此,对于超过临界直径淬火的工件,往往采用正火作为最终处理,但正火除冷却速度较慢外,冷却速度还要受到环境、气温、温度的影响,使硬度无法控制,正火的质量难以保证。

       国内有人研究用沸水淬火代替调质的热处理工艺,获得了成功,现简介如下:试验用45钢的wC为0.46%,箱式炉加热,试样规格为φ50mm×150mm、φ70mm×210mm、φ80mm×210mm,加热温度为840℃,采用100℃沸水冷却,在其1/2长度横截面上,沿3条过中心且均匀分布的直线测其硬度,结果见表3。

表3 45钢沸水淬火后硬度分布

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       1)大截面的45钢沸水淬火,沿整个截面的硬度和组织比较均匀。由于沸水始终保持在100℃,因而力学性能不受环境和季节的影响。

       2)45钢沸水淬火可代替普通正火,作为工件的最终热处理,正火加热温度可降低15~20℃,且综合力学性能佳。 
       3)适当选择冷却水温,45钢大截面工件的沸水淬火完全可以代替调质处理,而且可以缩短生产周期、节能增效。

45钢的淬火冷却

       现以φ12.5mm×60mm的45钢举例,wC为0.46%,加热温度为840℃,论述其在不同介质中的淬火结果。

      (1)水淬 
       从840℃保温结束淬水时,由于冷却速度较快(约540℃/s),珠光体和铁素体转变都被抑制了,直到300℃时过冷奥氏体转变成马氏体组织,这种组织的性能:Rm≥1100MPa、ReL≥720 MPa、A≥7%、Z≥15%、硬度52~60HRC。
      (2)油淬 
       从840℃奥氏体化后立即淬入N32油中,由于冷却速度缓慢(约240℃/s),开始阶段,过冷奥氏体并没有发生转变,直到450℃,部分奥氏体转变成贝氏体,冷至300℃左右,奥氏体分解停止,继续冷却时其余部分过冷奥氏体转变成马氏体。室温下的组织为<20%的贝氏体+80%的马氏体+少量的残留奥氏体。
      (3)空冷 
       过冷奥氏体冷到700℃左右开始析出铁素体,到650℃铁素体析出停止,残留奥氏体开始转变成珠光体,到600℃左右则全部转变成珠光体,室温下的组织为30%铁素体+70%珠光体,硬度220~250HBW。
      (4)其他淬火剂 
       为了充分挖掘45钢潜力,人们从自家的产品出发,开发和引进了不少新的淬火冷却介质,比如:两硝水溶液、PAG淬火剂、三硝淬火剂、氯化钙水溶液、碳酸钠水溶液、有机溶剂和无机水基淬火冷却介质等。

45钢淬火罅裂不容忽视

       45钢小件按常规工艺淬火,时有“细、短、浅、直”的瓦状裂纹发生,这种裂纹深度大约是被淬工件直径的1%~10%,若工件表面粗糙或有划痕,也可能出现粗大裂纹。这种有规律的“细、短、浅、直”裂纹特征就是所谓的罅裂。

       多少年来,人们对罅裂的本质并未认识清楚,但对其研究从未停止脚步。研究表明,罅裂与原材料并无直接关系,而与工件的尺寸是否处于易裂的危险尺寸有关,同时钢材的实际含碳量也有影响。国内同行做了大量的工作,发表了很有见地的实用文章,笔者将它绘制成图1。

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图1 45钢水淬裂纹率与工件截面尺寸的关系

       从图1可以看出,罅裂始于5mm,并随着工件截面尺寸的增加而增多,其峰值在6~8mm,7mm则几乎淬裂率100%,自9mm以后罅裂趋于平缓,12mm则基本不裂。此结论被国内广大的同仁所认同。为什么会出现这个特殊的“危险淬裂尺寸”呢?比较一致的看法是,45钢工件在完全淬透的情况下,表面应力为拉应力,当该拉应力超过材料的断裂强度时,裂纹从表面萌生,φ5mm~φ8mm工件易产生裂纹正是该原因所致。工件直径≤4mm时,由于截面较小,表面与心部温差小,淬火的拉应力也小,表面拉应力未超过材料的断裂强度,故不易产生裂纹;直径>8mm时,虽然因截面增加使淬火残余应力增加,但拉应力峰值远离工件表面,此时的表面拉应力仍未超过材料的断裂强度。如工件的尺寸继续增加,超过了钢的临界淬火直径,在未淬透的情况下,工件表面呈压应力,因此更不易淬裂。

       45钢淬水易裂还有一个重要的原因是临界点的突变。制订热处理工艺的主要依据是根据其化学成分和临界点,而钢的临界点主要由碳含量确定。国标45钢的碳含量范围过大,实测其临界点与手册中名义临界点差别很大,这给制订热处理工艺带来很大困难。 
       图2是根据实际情况绘制的曲线。从图2可以看出,钢的临界点Ac1、Ar1并不随着钢的碳含量升高而平缓下降,而是在一个很小的区间存在着一个较大幅度的升降变化,即临界点的突变,如wC在0.45%~0.50%的45钢的Ac3点出现极低值,大约760℃,仍按书上的780℃+50℃制订淬火工艺,显然要出问题。 

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如何解决危险尺寸淬火开裂?现在已有各种措施:
       1)亚温淬火。即将原淬火温度从原830~840℃降至780℃。
       2)在淬火冷却介质上做文章。国内不少同仁,根据自家的产品,自配CaCl2、Na2CO3、两硝、三硝水溶液,或选购南京科润、辽宁和兴等公司的产品,不仅解决了开裂难题,而且节能环保、增效,真是一举多得。

45钢的表面处理及化学热处理

       6.1 45钢小件的发黑处理
       发黑液配方:NaOH(600~700g/L)+NaNO2(150~250g/L)。工作温度138~140℃,发黑时间45~60min。
       发黑质量检查: 
       1)外观检查。置于日光灯下,工件离肉眼300mm观察,颜色应为均匀的黑色,不得有明显的花斑。
       2)致密度检查。在标准溶液CuSO4·5H2O中浸渍1min(室温),无Cu析出即判合格。 
       3)防锈能力检查。将发黑件置于20℃、30g/L的NaCl水溶液中10min取出,在20℃以上的空气中暴露2h,目测,完全无锈为合格。 
       4)抗蚀能力检查。将发黑件放在20℃、50g/L的草酸溶液中8min取出,表面颜色为褐色、暗灰色、暗绿色均判合格。 
       5)牢固性检查。用手轻搓20个来回无擦伤即为合格。 
       6.2 45钢制工件的磷化处理 
       20世纪90年代,浙江工具厂等单位为外商生产了大量的45钢制丝锥、板牙,淬火、回火后需磷化处理,其工艺为:
       30~35g/L的磷酸二氢锰铁盐(马日夫盐),80~100g/L的硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O,游离酸度5~7点、总酸度60~80点,温度60~70℃,时间10~15min。 
       磷化质量的检验: 
       1)外观检查。用肉眼观察磷化膜表面应为灰色或暗灰色,结晶均匀、致密、牢固、完整。
       2)耐蚀性检查。①浸入法。先将磷化件浸入3%NaCl水溶液中,在室温下保持15min,然后取出用自来水冲洗干净,在空气中自然干燥30min,或用压缩空气快速吹干,如表面不出现锈点,即判合格。②点滴法。吸取少许的组份溶液(71.05g的CuSO4·5H2O+132.9g的固体NaCl+0.1N的盐酸13.2mL+986mL蒸馏水),在室温下滴在磷化件表面上1min内不变色即为合格。 
       由于,45钢工件淬火后大多用250℃以下的低温回火,所以表面处理的温度应低于此温度,除了上述发黑和磷化外,还有些单位使用钼化处理和硫化处理。 
       6.3 45钢工件的化学热处理应用实例 
      (1)45钢制热切边模
固体渗硼910~930℃×4h固体渗硼后,随炉冷至室温;盐浴加热淬火,820~840℃×0.5min,淬入盐水,210~230℃×3h回火,表面硬度1290~1700HV。
      (2)45钢制模具液体渗硼 
       对45钢制无缝钢管冷拔模、硅棒模具、釉面砖模板等,进行液体渗硼,可收到很好的效果。常用液体渗硼工艺:920~940℃×5~6h,出炉淬火,低温回火。
      (3)45钢制模固体Ni-B共渗 
       Ni-B共渗比单一渗B更优越。其工艺过程为化学镀Ni,在金属表面形成一层致密光滑的镀层,再进行渗B,由于Ni、B、Fe的相互扩散和渗透,可以得到理想的镀层和渗层,提高了结合强度、冷热疲劳性能、耐高温氧化性能和耐磨性能,降低了单独渗B的脆性。
      (4)化学沉积Ni-P合金 
       角钢和钢板的冷冲头用45钢制造,经830℃加热淬火、低温回火,获得硬度50~54HRC,加工成成品后再经Ni-P合金沉积,沉积层厚度为25~30μm,表面硬度可达1000HV,冲头寿命达6000多件,平均寿命提高两倍多。


结束语

       1) 由于45钢有临界点突变的特点,所以处理45钢小件时一定要关注其实际碳含量。
       2)45钢小件淬火切忌用传统的NaCl水溶液,建议用既淬得硬又不至于淬裂的有机或无机溶剂。 
       3)45钢沸水淬火是很有前途的发展工艺。 
       4)充分挖掘45钢潜力,45钢可以制造多种工程构件及工具。 
       5)45钢制件可以进行多种表面处理及化学热处理,不管采取何种处理,把本单位的产品质量提上去是硬道理。




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