45钢的热处理及表层改性

2021-05-27赵步青徐利建胡会峰吕蓝冰

金属加工(热加工) 2021年5期

关键词：临界点调质沸水

赵步青，徐利建，胡会峰，吕蓝冰

1.安徽嘉龙锋钢刀具有限公司安徽马鞍山 243121

2.金华市东山机械厂浙江金华 321000

3.常州天山重工机械有限公司江苏常州 213032

1 序言

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。

2 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）（%）

表2 45钢的热处理临界点（℃）

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。

3 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。

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。

表3 45钢沸水淬火后硬度分布

4 45钢的淬火冷却

现以φ12.5m m×60m m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。

5 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[1]，笔者将它绘制成图1。

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[2]，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[3]。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。

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。

图2 中碳钢的临界点突变

6 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[4]：

30~35g/L的磷酸二氢锰铁盐（马日夫盐），80~100g/L的硝酸锌Z n（N O3）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。