45钢高温快速回火可行性分析

王吉洪

摘 要：本文通过实验，观察了45钢高温快速回火和常规回火工艺的晶相组织和晶粒形态，并测量出了其各状态下的硬度值，对比了各种条件下回火的效果和能耗，分析和论证了45钢高温快速回火的可行性。

关键词：45钢；常规回火；高温快速回火；索氏体

1.引言

45号钢为优质碳素鋼，具有良好的机械性能，被广泛应用于机械制造，化学成分为：C：0.42～0.50%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.50～0.80%，Cr≤0.25%，我公司产品中有大量零部件材料使用45钢，这些零件使用工况复杂，承受着压缩、拉伸、剪切、扭转或弯曲应力，须具有一定的强度和硬度及良好的塑性和韧性。因此很多45钢都要用到调质处理来得到优良综合机械性能的回火索氏体组织以满足使用要求。

热处理作业需消耗大量的电能，如何在满足产品质量的前提下，寻求节能的途径以降低热处理过程生产成本是我们需不断探究的课题，我公司当前淬火工艺为常规回火处理，生产中为提高设备利用率常采用积累一定数量淬火件，一起装炉进行回火，回火时间长，生产周期长，能耗大而且可能导致淬火件不能马上进行回火而产生裂纹等缺陷。本文用实验论证高温快速回火的可行性，提高生产效率，节约能耗。

2.实验过程

实验设备：型号分别为x-75和x-105的箱式电阻炉，布洛维硬度计，leica金相显微镜

实验材料：Φ50的45号圆钢

回火时间，通常指均匀烧透所用的时间，从工件入炉后炉温升至回火温度开始计算。可以参考以下经验公式：

本实验采用105kw的箱式电阻炉按常规淬火工艺进行淬火，用75kw的箱式电阻炉分别在560℃、650℃和750℃下以不同的保温时间进行回火，在炉温升到300℃时装入圆料，按照已确定的加工工艺和保温时间，来完成本次试验。

3.分析

3.1理论分析

钢淬火后的组织是马氏体和部分残留奥氏体，它们都处于亚稳定状态。在回火过程中，会随着回火温度的升高发生组织变化而引起力学性能的改变。回火时的组织变化主要分四个阶段进行：

①.80～250℃温度区间，马氏体分解。

②.200～300℃温度区间，马氏体继续分解，残留奥氏体转变为马氏体或下贝氏体，但马氏体很快被被回火成为回火马氏体。

③.300～400℃温度区间，马氏体分解时以渗碳体的形式析出过饱和的碳。当α固溶体中碳接近平衡状态时，铁素体恢复，晶格的扭曲基本消失，内应力随之消除。

④.400℃以上温度区间，孪晶全部消失，α相发生回复过程。钢中碳化物通过减小表面积来降低能量，聚集成球状。

⑤.600℃左右时，α相发生再结晶过程，由于再结晶结果，使α相晶粒长大，马氏体针状形态消失，形成多边形的铁素体。此时渗碳体也聚集成较大的颗粒。这种多边形铁素体和粒状渗碳体的机械混合物，称为回火索氏体。

以上所有的回火转变都可以在一定的温度范围内发生。在该范围内，在低温度长时间与高温度短时间发生的转变可以有相同的效果。高温快速回火就是基于这个原理提出的。马氏体分解需要很大的激活能，据计算，它的分解激活能是4.1868x33000 J/mol。高温快速回火时，回火时间短，回火应快速进行以使激活能高的马氏体在高温下快速分解，从而获得较好的力学性能。

3.2实验分析

通过常规高温回火、650℃和750℃快速回火，分别在其Φ50圆料上打硬度，取其值，得到的洛氏硬度（HRC）数据如下表1所示：

淬火钢在回火时硬度变化的总趋势是，随着回火温度的升高，钢的硬度不断下降。硬度在HRC20-35的范围内，淬火加回火产物是回火索氏体；其直接分解产物是细珠光体，即索氏体。由上表可知，在560℃下回火的45号Φ 50圆钢，保温时间为210min， 所得硬度值为 HRC 20-25；在650℃下进行回火的料，保温时间为25min，所得的硬度值为HRC 22-26；而在750℃下进行回火的料，其保温时间仅为15min，就可达到硬度值HRC 18-22。符合所要生产加工要求。

回火过程中组织的变化就是马氏体的分解、渗碳体的形成和变化、残留奥氏体的分解及α相的恢复及再结晶等四个部分，除残留奥氏体的分解外，回火过程的转变实际上就是形成回火马氏体、托氏体、和索氏体。传统回火工艺和高温快速回火都包括这三个部分。回火时，钢件碳化物的转变，也是通过形核和长大过程进行的。通过对比各晶相图观察发现，其各温度下回火的晶相没有显著的变化，所以常规高温回火、650℃和750℃高温快速回火所能达到的回火效果基本是相同的，且稳定的。

4.结果讨论

常规回火与高温快速回火耗电量的比较：

实际生产中，由于装炉量大，烧透时间长，为了使温度均匀，一般保温时间都在4小时以上，但本实验中只有少量实验材料，所以在计算用电量的时候应该同理论计算时间相比较，下面计算按通常回火时使用X-75的功率进行比较，由表2所示。

1）.常规回火时：开炉时间等于理论计算的保温加上随炉升温的时间，约为5h；耗电量=开炉时间*功率=5h*75kw =375kwh

2）.650℃回火时：加上炉子从进炉温度300℃升到650℃所用及保温时间，开炉时间等于120min，约为2h；

耗电量=开炉时间*功率=2h*75kw =150kwh

耗电下降率=（375-150）/375=60%

3）.750℃回火时；从进炉温度300℃升到750℃及保温所用时间，开炉时间等于110min，约为1.8h。

高温快速回火无脆化现象：回火脆性分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。避免第一类回火脆性的方法是避开产生回火脆性温度（200～350℃）进行回火；避免第二类回火脆性的方法是回火后快冷。高温快速回火的温度远高于此温度，又因为加热时间短，冷却速度快，避开了产生回火脆性的条件，因此就没有回火脆性。

高温快速回火的局限：淬火时由于钢的淬透性的差别，使其尺寸效应成为生产上的问题。钢产生尺寸效应有两方面的原因：一是加热和冷却时工件的温度不均匀，这是传热尺寸效应；二是钢本身相变过程的速度问题。如果回火时间长，尺寸效应不明显，但快速回火尺寸效应不可忽视。

5.结论

通过对以上实验数据和金相照片的综合分析，高温快速回火和常规回火工艺的晶相组织形态变化不大，并且硬度值相近，且各高温回火效果相同，能达到生产加工工艺要求，所以高温快速回火是可行的。

对比常规回火与高温快速回火耗电量得出，在650℃和750℃快速回火的耗电明显下降，且其耗电下降率分别为60%和64%，其显著的节电效果能在用电紧张的生产中发挥重要意义和明显的经济效益。

参考文献：

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