减速机用45钢的调质热处理作业指导书修改解读.doc

减速机用45钢的调质热处理作业指导书（讨论稿）45钢是中碳结构钢，加工性能好，机械性能较高，且价格低、用途广，在软齿面减速机中用于制作轴类零件。45钢的最大弱点是淬透性低，如果把握不好，容易出现不合格品。为了进一步稳定热处理质量，现提出对45钢的热处理工艺作业指导意见，与热处理质量控制标准一并执行。一、热处理工艺基本要求：热处理是将材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。在实际生产过程中，要使热处理这道加工工序顺利有效的执行，通常需要以下几个方面的要求：a. 具有一定专业理论水平，熟悉本职业务的技术人员和检验人员以及经过培训，具有工作责任心的操作人员。 b. 热处理工艺文件。本厂所处理的产品材料都是45钢，所用热处理工艺文件为自编表格：45钢热处理工艺规程表以及作业指导书。c. 热处理加热设备： RT3-180-9全纤维中温台车炉（淬火加热炉）一台、RJ2-120-6井式回火炉一台以及相应的监控记录仪器。d. 热处理淬火槽和淬火介质：热处理淬火槽3个（其中一个为备用槽，另外两个为生产中使用的淬火槽）,淬火介质为浓度10%盐水。e. 检验设备及器具：盐水密度计，温度计（测淬火介质温度），台式洛氏硬度计一台，便携式里氏硬度计一台。二、 工艺规范2.1热处理调质件的最终硬度应该在工艺文件的要求范围之内。2.2工艺操作流程基本要求2.2.1热处理调质的温度和保温时间应符合工艺要求（1）淬火加热温度：820840 图（1） 淬火加热曲线图(1)形状复杂的碳钢件及部分合金钢件（见表1），冷却用水或油。(2)形状复杂的碳钢件及部分合金钢件（见表1），采用此段。（2） 回火回火温度：530560 图（2） 回火曲线加热图注：供参考，530以下按此系数计算回火时间，540按此加1。（3）热处理调质的温度和保温时间的几点说明：a、“透”系指工件装炉后，炉子到温起至工件与炉膛火色一致止的时间。b、装炉温度栏之“不限”一般系指不超过曲线中保温温度以下的各温度。（如曲线中有两个保温温度，则应不超过第一段的保温温度）。c、淬火、回火温度范围是供生产中在这段区间内选用的，不是指一炉允许的温度偏差，一般情况下选用中限。2.2.2淬火后的硬度2.2.3淬火介质（盐水）的温度和盐度2.2.4回火时工件的放置2.2.5回火完成后的硬度要达到最终的调质硬度。具体要求如下：（1）热处理调质的温度和保温时间应按45钢工艺规程表执行；淬火后的硬度应该达到5560HRC；淬火介质（盐水）的温度应该控制在2040 ，盐度控制在10%15%；淬火结束后应该将硬度高的零件放在上筐回火，将硬度低的零件放在下筐回火；调质完成后，零件的硬度要达到工艺要求的调质硬度。（2）调质工艺过程中进行两次检验，即淬火前对淬火介质温度的确认（淬火介质的温度是否在要求的范围2040之内），淬火完成后对工件淬火硬度的确认（淬火完成后的淬火硬度是否达到5560HRC）。2.2.6检验及形成的记录：a、热处理操作工人需要对调质零件的图号、淬火温度、淬火保温时间、回火温度、回火保温时间、淬火硬度、回火硬度、淬火介质（盐水）的温度和盐度做好记录。b、 自动记录仪形成的记录曲线，必须及时回收，由质控部检查和存档。c、淬火介质（盐水）的温度、淬火后零件硬度两项记录，需由操作记录人员和跟班质检员共同签字确认！d、技术部工艺人员负责抽查、监督各项记录工作，并定期向热处理车间工人收取记录资料，以供建档系统分析热处理工艺过程中参数的合理性。三、工艺说明及相关解释45钢淬火温度在A3（780）+(3050)，在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间，不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但也要注意保温时间不能过长，否则会出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的1012%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂。这是因为当工件冷却到180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入后水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则的上下、左右匀速运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。     45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为530560，硬度要求为HRC2228。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。所以要严格按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，回火后的硬度取决于回火温度，但必须有充足的回火时间以保证回透，一般工件回火保温时间总在1.52小时以上。应当特别注意的是环境温度、湿度对回火冷却的影响。冬季气温低，春季湿度大，都会加大回火硬度。此时应注意调整回火温度到上限，并且采取遮风、避雨等措施，并尽量避免让工件直接与潮湿的地面接触。四、操作注意事项：影响调质工件的质量，操作工的水平是个重要因素，同时，还有设备、材料和调质前加工等多方面的原因： （1）工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢，工件入水的温度已降到低于Ar3临界点，产生部分分解，工件得到不完全淬火组织，达不到硬度要求。所以必须快速出炉并快速入水。（2）工件装炉量要合理，工件不能相互重叠挤压，装炉时，应按照零件大小，由里到外装放。 （3）工件入水排列应保持一定距离，如果排列过密，使工件近处蒸气膜破裂受阻，造成工件接近面硬度偏低。 （4）开炉淬火，不能一次装框淬完的，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。 （5）要注意冷却液的温度，10%盐水的温度如高于40，不能使用。冷却液不能有油污、泥浆等杂质，不然，会出现硬度不足或不均匀现象。    （6）未经加工毛坯调质，硬度不会均匀，如要得到好的调质质量，毛坯应粗车，如有锥面形状必须粗加工出来，预留的加工余量不能过大（最好将余量控制在3-4mm），否则会影响零件的最终热处理效果。     （7）严把质量关，淬火后硬度偏低13个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低，有的甚至只有2535HRC，必须重新淬火，在这种情况下，绝不允许单纯通过调整回火温度以达到图纸要求完事！不然，失去了调质的意义，会产生严重的后果。附: 45钢相关热处理特性及热处理晶相组织1、 45钢为亚共析钢，如图3中蓝色线条所示，45钢液态合金在1-2点温度发生匀晶转变，结晶出高温铁素体。冷却到2点温度（1495）开始在恒温下发生包晶转变，即L+=A，形成奥氏体，转变结束后仍有液相剩余。剩余的液相在2-3点发生匀晶转变，不断结晶出奥氏体，直至3点温度结晶完毕，合金为单相奥氏体组织。3-4点组织不发生变化。4-5点发生同素异构转变，从奥氏体中析出铁素体。冷却至5点温度（727）时，开始在恒温下发生共析转变，剩余奥氏体全部转化为珠光体。在此过程中原先析出的铁素体（称为先共析铁素体）保持不变。共析转变结束后继续冷却，从先共析铁素体和共析铁素体中沿晶界析出Fe3C，由于数量很少，同样忽略不计。因此，亚共析钢的室温组织为F+P，组成相仍为F+ Fe3C。组织组成物的相对量也可以用杠杆定律求得。 图3  45亚共析钢平恒冷却转变示意图（蓝色线条）2、过冷奥氏体的连续冷却转变当奥氏体缓慢冷却时（相当于炉冷，如图4中1），转变产物接近平衡组织，即珠光体和铁素体。随着冷却速度的增大，即3>2>1时，奥氏体的过冷度逐渐增大，析出的铁素体越来越少，而珠光体的量逐渐增加，组织变得更细，此时析出的少量铁素体多分布在晶粒的边界上。因此，v1的组织为铁素体+珠光体；v2的组织为铁素体+索氏体；v3的组织为铁素体+屈氏体。当冷却速度为v4时，析出很少量的网状铁素体和屈氏体（有时可见到少量贝氏体），奥氏体则主要转变为马氏体和屈氏体；当冷却速度v5超过临界冷却速度时，钢全部转变为马氏体组织。 图4. 共析钢TTT曲线和CCT曲线的比较及其转变组织3、 45钢在热处理过程中的相关晶相组织图 光学放大倍数：100×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：锻造后正火处理 基体组织说明：基体组织为片状珠光体+网状、块状铁素体，晶粒度为57级，个别是4级。 图5 45正火处理的晶相组织 光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：锻造后正火处理基体组织说明： 图45-01放大。 图6 45正火处理的晶相组织 浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：锻造后正火处理基体组织说明：基体为片状珠光体，白色为铁素体，构成网络状分布，晶粒大小极不均匀，大晶粒约为23级，细晶粒为8级。 图7 45锻造后正火处理的晶相组织组织及说明：基体为片状珠光体，白色为铁素体，构成网络状分布，晶粒大小极不均匀，大晶粒约为23级，细晶粒为8级。细晶粒聚集分布。45钢出现上述组织是由于高温保温时间较短、冷却较快所形成的，出现粗大晶粒将会明显降低材料的力学性能；可采用重新加热、延长保温时间后冷却，组织可得到改善，性能也会随之提高。光学放大倍数：100×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：退火处理 基体组织说明：基体组织为珠光体及铁素体图8 45退火处理的晶相组织 组织及说明：基体组织为珠光体及铁素体。铁素体沿奥氏体晶界呈网络状分布。片状珠光体的体积分数约占基体总体积分数的55%，由此可以推算出钢中W（C)为45%。同时，从网络状分布的铁素体可以看出，此钢退火温度不高；故其晶粒细小。这种钢在退火状态下强度是偏低的，为了充分发挥材料的潜力，通常于采用调质或正火处理。 光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：处理：720退火处理 基体组织说明：基体为球粒化珠光体及铁素体。 图9 45钢720退火处理的晶相组织组织及说明：基体为球粒化珠光体及铁素体。45钢经过720长时间退火处理，导致片状珠光体中渗碳体发生球粒化，从而使钢的强度和硬度明显下降，韧性和塑性则显著增加，因此经过上述处理的钢材，适宜于作冷挤压和冷冲压零件的原材料，因为具有这种球化组织的钢材，在冷变形时不易开裂，同时可延长冲模的使用寿命。光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：810退火处理基体组织说明：白色基体为铁素体，其上有呈团状分布的片状珠光体，并有少量渗碳体呈球状分布。 图10 45钢810退火处理的晶相组织组织及说明：白色基体为铁素体，其上有呈团块状分布的片状珠光体，并有少量渗碳体呈球状分布。随着退火温度的升高，一部分球状渗碳体溶入奥氏体；在随后的冷却过程中，至共析反应时，即自奥氏体中析出片状珠光体，极少量未溶解的球粒状渗碳体仍被保留下来。此组织属不完全退火显微组织；由于组织中出现片状珠光体，故不宜作冷挤压的零件。光学放大倍数：500×图号：45-08浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：860加热保温后淬火基体组织说明：针状淬火马氏体，其针叶大小中等图11 45钢860晶相组织光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：处理：热锻后直接淬油基体组织说明：基体组织为较粗的中碳马氏体、极少量残留奥氏体，以及沿晶界分布的黑色团状的托氏体，托氏体的体积分数约为5%。 图12 45钢锻后淬油的晶相组织组织及说明：基体组织为较粗的中碳马氏体、极少量残留奥氏体，以及沿晶界分布的黑色团状的托氏体，托氏体的体积分数约为5%。在形变热处理的显微组织中，可允许存在托氏体的体积分数为5%左右。钢在再结晶温度以上进行压力加工，由压力加工导致塑性变形而引起的加工硬化，可以立即通过再结晶来消除，因此再热加工过程中，金属内部将同时发生加工硬化和再结晶软化，这两个相反的作用，在一般情况下刚好抵消，但有时则不能榨抵，这要视变形的程度和加热温度而定，若变形度大、加热温度低，则由加工变形引起的硬化因素将占优势，反之，则再结晶和晶粒长大占优势，此时由于晶粒长大将使钢的性能变坏。光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：处理：高频感应加热淬火 基体组织说明：基体组织为成排分布的粗大中碳淬火马氏体。图13 45钢高频淬火的晶相组织组织及说明：基体组织为成排分布的粗大中碳淬火马氏体。 由于高频感应加热温度过高。致使奥氏体晶粒  迅速长大，淬火后获得成排分布的粗针状马氏体；这种组织将使钢的脆性增大，内应力也较大，在使用时易发生开裂。光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：处理：860880加热保温3h后水冷，600+20保温4.5h后空冷基体组织说明：片状珠光体及呈白色网状、针状和块状分布的铁素体。晶粒大小不太均匀，有轻微的魏氏组织。图14 45调质处理的晶相组织组织及说明：片状珠光体及呈白色网状、针状和块状分布的铁素体。晶粒大小不太均匀，有轻微的魏氏组织。试样取自一轴类零件的心部。该轴锻造退火后再经淬火、回火处理。由于轴的 截面较大以及45钢的淬透性差，心部实际 上并未得到淬火处理，而是经受一次正火处理。由显微组织的分布情况可知，心部的加热温度稍有过热，一方面使晶粒大小不均匀；另一方面，在基体组织中出现了轻度的过热魏氏组织。光学放大倍数：500×浸蚀剂：4%硝酸酒精 材料及状态：45钢 处理：处理：860加热保温后淬火，600回火1h 基体组织说明：基体组织为保持马氏体位向分布的回火索氏体，硬度为28HRC 图15 45调质处理的晶相组织组织及说明：基体组织为保持马氏体位向分布的回火索氏体，硬度为28HRC。本图片为45钢调质处理后的典型组织。45钢淬火后得到过饱和的a固溶体即淬火马氏体。它的强度及硬度很高(硬度可达5860HRC左右)，而其韧性及塑性则明显下降。为了消除淬火时的内应力和组织应力，淬火的工件应及时进行回火处理，当回火温度达600时，马氏体则发生分解，析出极细的渗碳体颗粒，从而使基体分解为索氏体组织，此时工件的强度和硬度有所下降，而塑性及韧性则显著提高。因此，可获得良好的综合力学性能，以适应制造要求强度较高，塑性及韧性也好的机械零件。4、45钢淬火+回火的晶相组织回火索氏体：是高温回火（500650）组织。回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。经充分回火的索氏体已没有针的形态。在大于500倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒。回火索氏体具有良好的综合机械性能。但当材料尺寸较大时，由于45钢的淬透性能差，所以在芯部，实际上只相当于正火处理。16