碳钢“零保温”热处理工艺研究

葛光男，刘 毅，丁军锋，李 景，赵 鹏，段振伟

(1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040；2. 水力发电设备国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040；3. 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

碳钢调质处理后具有良好的综合机械性能，广泛应用于齿轮、轴类等零部件[1]。碳钢淬火过程需经奥氏体晶核形成、长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体均匀化。因此，常规淬火工艺需保温足够的时间。“零保温”淬火是指工件加热时，其心部和表面均达到淬火温度后不需要保温立即淬火冷却的热处理工艺[2]。“零保温”淬火与传统的淬火工艺相比，节省了工件透热和组织均匀化的时间，节约了能源消耗，可减少工件保温过程中产生的氧化、脱碳等缺陷，有利于产品质量的提高。

研究表明[3-4]，低合金结构钢由于热传导速度很快，用于消除内外温差的时间较短，因此对于有效加热尺寸不是很大的工件，其透热温度所需时间一般可认为很短或为零。国内学者对于截面尺寸不超过φ40 mm的35钢和45钢已进行了大量的研究，对于尺寸较大的碳钢研究较少，为此本文研究“零保温”热处理工艺对截面尺寸为φ60 mm的35钢和45钢的综合性能的影响，对实际生产具有重要的指导意义。

1 试验材料和方法

试验材料为φ60 mm×80 mm的轧制态35钢和45钢，采用直读光谱仪(0800H070003-2)进行化学成分分析，分析结果如表1所示。35钢和45钢“零保温”调质热处理工艺均采用850 ℃保温10 min水冷+580 ℃保温1.5 h空冷。“零保温”热处理后按GB/T 2975标准进行力学性能取样。

表1 35钢和45钢化学成分表 单位：%

采用岛津AGI-250 kN电子拉力试验机进行拉伸试验，采用CBD-300自动摆锤冲击试验机进行冲击试验，采用TH-160硬度试验机进行硬度试验，采用AXIO光学显微镜进行金相试验。

2 结果与分析

2.1 35钢“零保温”热处理性能结果

φ60 mm的轧制态35钢“零保温”热处理工艺试验后，取4组试样进行力学性能试验，结果如表2所示。由表2可以看出，“零保温”热处理之后的35钢4组抗拉强度最小值为594 MPa，屈服强度最小值为347 MPa，延伸率最小值为23%，断面收缩率最小值为60%，U型冲击功最小值为94 J。该结果表明，经“零保温”热处理的35钢的性能完全满足GB/T 699标准要求。

表2 35钢“零保温”热处理后的力学性能试验结果

图1为φ60 mm的轧制态35钢“零保温”热处理工艺试验后，由表及里硬度变化规律。由图可知，表面硬度最高约为178 HBW，心部硬度最低约为150 HBW，心部和表面硬度差约为28 HBW。由于35钢淬透性较差，淬硬层低于10 mm，因此由表及里硬度呈现逐渐降低的趋势。

图1 φ60 mm 35钢“零保温”热处理后由表及里硬度分布规律

图2为φ60 mm的轧制态35钢“零保温”热处理工艺试验后，由表及里金相组织变化规律。由图可知，35钢“零保温”热处理后由表及里金相组织均为铁素体+珠光体，由表及里晶粒尺寸逐渐增加。距表面2～12 mm处的晶粒尺寸增加比较缓慢，距表面13～24 mm处晶粒组织增加较大。该现象由于淬火冷却过程中，表面冷却较快，心部冷却较慢，导致随着距表面距离的增加组织转变驱动力逐渐减弱，从而使心部晶粒尺寸增加。

图2 φ60 mm 35钢“零保温”热处理后由表及里200×金相组织

2.2 45钢“零保温”热处理性能结果

φ60 mm的轧制态45钢“零保温”热处理工艺试验后，取4组试样进行力学性能试验，结果如表3所示。由表3可以看出，“零保温”热处理之后的45钢4组抗拉强度最小值为719 MPa，屈服强度最小值为466 MPa，延伸率最小值为16%，断面收缩率最小值为50%，U型冲击功最小值为56 J。该结果表明，“零保温”热处理的45钢的性能完全满足GB/T 699标准要求。

表3 45#钢“零保温”热处理后的力学性能试验结果

图3为φ60 mm的轧制态45钢“零保温”热处理工艺试验后，由表及里硬度变化规律，由图可知，硬度最高为195 HBW，心部硬度约为170 HBW，心部和表面硬度差约为25 HBW。表面至8 mm处硬度值比较接近，8～30 mm硬度值逐渐降低。由此可知，45钢淬透性约为16 mm，超过16 mm后硬度逐渐降低。

图3 φ60 mm 45#钢“零保温”热处理后由表及里硬度分布规律

图4为φ60 mm的轧制态45钢“零保温”热处理工艺试验后，由表及里金相组织变化规律。由图可知，45钢“零保温”热处理后由表及里金相组织均为铁素体+珠光体，由表及里晶粒尺寸逐渐增加。距表面2～8 mm处的晶粒尺寸增加比较缓慢，距表面9～28 mm晶粒尺寸增加较快，心部珠光体尺寸较铁素体尺寸大。

图4 φ60 mm 45钢“零保温”热处理后由表及里200×金相组织

3 结论

(1) 35钢“零保温”热处理后心部和浅表面的热处理组织均为铁素体+珠光体，心部组织的晶粒较浅表面粗大。35钢表面硬度约为178 HBW，心部硬度约为150 HBW。35钢热处理后抗拉强度可达到594 MPa，屈服强度可达到347 MPa，延伸率可达到23%，断面收缩率可达到60%，U型冲击功可达到94 J。

(2) 45钢热处理后心部和浅表面的热处理组织均为铁素体+珠光体，心部组织的晶粒较表面粗大。45钢表面硬度约为195 HBW，心部硬度约为170 HBW。45钢热处理后抗拉强度可达到719 MPa，屈服强度可达到466 MPa，延伸率可达到16%，断面收缩率可达到50%，U型冲击功可达到56 J。

(3) 直径不超过60 mm的35钢和45钢“零保温”热处理后性能完全满足GB/T 699标准要求，生产中可考虑采用该方法进行热处理，可节约能源约30%～40%。