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45号钢热处理工艺常见问题及其预防措施_孔建
《装备制造技术》２０１３年第４期４５号钢热处理工艺常见问题及其预防措施孔建，姜明国（烟台工程职业技术学院，山东烟台２６４００６）摘要：４５号钢是中碳优质碳素结构钢，切削加工性能良好。经过热处理工艺后，其强度与塑性很高，因此，在机械制造行业中得到了广泛的应用。首先对４５号钢传统热处理工艺进行了综述，然后分析４５号钢热处理工艺常见问题，并提出解决措施，为４５号钢热处理工艺控制研究提供参考。关键词：４５号钢；热处理；硬度；淬火；裂纹中图分类号：ＴＧ１６１文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１３）０４－０１１７－０３４５号钢作为是中碳优质碳素结构钢，因其优良的切削加工性能，在现在装备制造业得到了广泛的应用。为了提高其热机械性能，通常需要对４５号钢进行热处理工艺，以提高其强度与塑性等热机械属性。１４５号钢传统热处理工艺综述４５号钢是优质碳素结构用钢，硬度相对不高，切削加工相对容易。４５号钢既能做模具模板，又可制造曲轴、轴、活塞销、工夹具等要求强度较高的零件，但模具模板与零件的表面通常要求具备高硬度与高耐磨的特性，４５号钢虽然淬火性能一般，但能够淬硬至ＨＲＣ４２￣４６。同时，如果将４５钢表面进行渗碳淬火，可得到需要的表面硬度。４５号钢传统热处理工艺主低温球化退火、淬火、临界温度要包括预备热处理、淬火以及高频淬火括等阶段。１．１预备热处理４５号钢锻轧件通常情况下不进行退火处理，其原因有二：一是，退火时间如果过长，很容易产生铁素体集聚，导致组织不均匀现象；二是，因为４５号钢锻轧件作退火处理周期较长，导致生产效率较低。４５号钢预备热处理一般采用高温回火与正火。４５号钢锻轧件通常控制在７２４℃以内，这样不但不产生结晶过程，同时能够降低其内应力，硬度大大降低，易于下一步的切削加工工艺。１．２低温球化退火低温球化退火是把工件加热到共析转变温度Ａｃ１以下进行保温，然后缓冷冷却，从而获得球化组织的热处理方法，５号钢锻轧件的温度在接近７２４℃时，要进行长时间保温阶段，这样片状球光体就会发生转变，成为球状珠光体，其硬度在１４５ＨＢ之内，其强韧性较好，为冷挤压奠定了基础。１．３淬火４５号钢的淬火就是将钢加热到Ａｃ３（亚共析钢）或Ａｃ１（过共析钢）以上温度，经过保温后置入各种不同的冷却介质中（Ｖ冷应大于Ｖ临），以获得马氏体因此组织。由于４５号钢的奥氏体稳定性相对较差，为获得高硬度的马氏体组织需要对其加热后快速进行淬火冷却。４５号钢具有良好的导热性，在淬火时，可以直接入炉，不需要预热，根据工件的相关技术要求来选择温度的高低，一般加热温度控制在６０℃￣８２０℃之间。１．４临界温度淬火大量实验表明，４５号钢处于７８０℃临界温度进行淬火时，能够获取极细小的奥氏体晶粒，使其韧性大大提高，同时也显著降低了裂纹敏感性。一些截面尺寸相差悬殊的工件，在淬火时容易产生裂纹，而对其进行临界温度淬火处理时，可以大大降低产生裂纹的概率。１．５高频淬火高频淬火是通过感应加热设备，对工件进行感应加热，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。高频加热速度控制范围在２００￣１０００℃／ｓ之间时，其临界温度也对应升高，因此，故收稿日期：２０１３－０１－０５基金项目：高职数控专业基于工作过程系统化的课程开发研究（２０１２ＺＣＪ９７）；高职机械制造类专业《机械设计基础》课程标准的研究与实践（编号：２０１２６８８）作者简介：孔建（１９８１―），男，山东曲阜人，讲师，硕士学位，研究方向：ＣＡＤ／ＣＡＭ、机械设计。117EquipmentManufacturingTechnologyNo.4，2013４５号钢锻件的淬火加热温度在８８０￣９２０℃之间，一般较其他类型的钢高大约８０￣１００℃，有时更高一其些。这样４５号钢在高频淬火被加热的速度很快，组织细小，应力增加，能够使锻件达到６２￣６６ＨＲＣ的硬度，具有了高耐磨性，强疲劳抗力以及较小的缺口敏感性的特点。图２４５
号钢热处理后产生的横向裂纹图２４５号钢热处理工艺常见问题２．１硬度偏低４５号钢锻件经过调质件淬火后，其硬度一般要达到ＨＲＣ５６￣５９的要求，对于截面大的锻件也应该大于ＨＲＣ４８，造成原因主要是有四种原因：一是，钢材含碳量偏低；二是，在淬火加热阶段，没能做到要求的技术规范，加热温度偏低或保温时间不够，使锻件组织中奥氏体的碳与合金元素含量不足，甚至还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体，造成锻件淬火后硬度指标达不到要求；三是，锻件加热温度过高或者保温时间长，导致其表面脱碳而达不到硬度；四是，淬火冷却不到位，冷却是热处理的最终工４５号钢淬火硬度在不序，更是热处理最重要的工序。同冷却速度下可以转变为不同的组织，淬火冷却不到位，其硬度会变低。２．２纵向裂纹纵向裂纹就是产生的裂纹呈轴向趋势，形状细而长，如图１所示。图１４５
号钢热处理后产生的纵向裂纹图直径为８ｍｍ左右的４５号钢锻件最容易出现，一般含碳量愈高的锻件，其产生的切向拉应力越大，拉应力冲破锻件强度极限时，纵向裂纹就会形成。４５号钢锻件纵向裂纹产生的原因主要有：一是，装设的加热炉的方式不合理，导致锻件的受热不均现象；二是，锻件在淬火时，受到的温度较高，内外应力差距大。同时加剧４５号钢锻件裂纹产生的原因主要有：锻件中钢中含有较多的低熔点有害杂质，譬如Ｐ、Ｂｉ等等；锻件尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内Ｓ、所选择的淬火冷却介质远远大于锻件的临界淬火冷却速度。２．３横向裂纹横向裂纹就是产生的裂纹垂直于轴向。由内往外断裂。如图２所示。横纹一般出现在其未淬透时，有热应力引发。锻件淬火如果不能淬透，其表面会呈压应力，而其心部则呈拉应力，这样在锻件的淬硬层与非淬硬层的过渡区，就会产生最大拉应力，当所产生的拉应力冲破锻件的抗拉强度极限时，横向裂纹就会产生。４５号钢锻件横向裂纹产生的原因主要有三种：一是，工件的拉拔工艺及操作不合理，譬如模角太大，没有经过酸洗以及金属内外变形不均匀等；二是，工件心部出现增碳，使工件的内外层塑性变形能力出现较大的差别；三是，工件内有夹杂物存在。２．４硬度不均匀４５号钢经过热处理后，如果硬度不均匀将使其耐磨性降低，减少使用寿命。导致４５号钢硬度不均匀原因主要有以下几种：一是，使用的工件本身淬透性低；二是，工件表面残留有退火脱碳层或淬火加热时产生脱碳层；三是，工件淬火加热后冷却速度慢，分级、等温时间过长或者冷却介质选择不当；过高、四是，工件淬火介质中含杂质过多或老化；五是，工件淬火冷却后出淬火介质时温度过高、冷却不足；六是工件回火不充分及回火温度过高。２．５表面形成大块碳（氮）化合物网导致４５号钢锻件表面形成大块碳（氮）化合物网的原因有：一是，炉气碳势过高；二是，工件强渗时间过长；三是，冷却速度太慢，沿奥氏体晶界析出网状碳化物；四是，锻造始锻温度太高，而锻后冷却太慢。２．６畸变导致４５号钢锻件畸变的原因有三：一是，工件在淬火阶段温度偏高；二是，工件冷却方法不合理；三是，夹具设计不合理或者使用不当。３解决措施３．１硬度偏低预防措施一是，对４５号钢锻件的原材料进行检查，通过118《装备制造技术》２０１３年第４期磨火花或者看光谱或化验成分了解其含碳量，选择符合技术要求的原材料，然后去掉原材料脱碳层。在盐浴炉加热前要进行脱氧捞渣，空气炉加热零件要加保护剂（气体），有条件的可以通过真空加热；二是，根据４５号钢热处理工艺的技术要求正确掌握淬火回火过程的温度、时间等参数，再根据锻件的技术需求选用合适的淬火介质；三是，在工件水淬－油冷的水冷时，把握好时间，不能太短；同时需要熟悉加热炉和仪表的性能，掌握误差值以及工件淬火后的硬度值，使工件的抗疲劳强度与综合力学性能符合要求。３．２纵纹预防措施一是，对４５号钢原材料严格进行入库检查，不使用有害杂质含量超标钢材；二是，尽可能选用真空冶炼方式，炉外精炼或电渣重熔工件钢材；三是，加强热处理工艺的改进，采用真空加热，保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；四是，可以变无心淬火为有心淬火，即不完全淬透，从而获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，达到大幅度降低拉应力的目的，避免工件发生纵裂。３．３横纹预防措施一是，对工件进行合理锻造，锻造比（即原材料长度与直径之比）尽可能选在２￣３之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使工件中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于工件钢的基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；二是，正确选择冷却速度与冷却介质。在工件的Ｍｓ点以上要快冷，大于该工件的临界淬火冷却速度，使工件的过冷奥氏体产生的热应力，表层产生的压应力以及内层产生的张应力能够相互抵消，预防热应力作用；大幅度三是，在工件的Ｍｓ―Ｍｆ之间进行缓冷，降低工件形成淬火马氏体时的组织应力，降低相变应力，使工件的控制应力总和为负，预防横向淬火裂纹；四是，运用ＣＬ－１有机淬火介质。ＣＬ－１有机淬火介质是较理想淬火剂，不但能控制硬化层合理分布，减少与预防淬火工件畸变，同时还可以通过调正ＣＬ－１淬火剂不同浓度配比，得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同工件钢需求。３．４硬度不均匀预防措施一是，要正确选择合理的锻造工艺和球化退火工艺，保障工件有良好的预备热处理组织；二是，在工件进行热处理前，一定要彻底消除工件表面的锈斑以及氧化物，同时注意加热时的保护，尽可能采用真空加热或保护气氛加热，在对工件进行盐浴加热时，做到脱碳处理效果良好；三是，正确制定工件的淬火回火工艺规格，回火要充分；四是，根据工件的使用技术要求，合理选用冷却介质与冷却方式；五是，碱浴水分含量要严格控制，同时对淬火油要经常进行过滤，定期更换。六是，对硬度要求高的工件要采用深冷处理，同时对淬火后工件钢进行渗氮或氮碳共渗热处理等进行表面强化处理。３．５表面形成大块碳（氮）化合物网预防措施一是，降低工件碳势，缩短强渗时间；如果渗层深度允许，可在较低碳势炉中进行扩散处理；二是，适当提高淬火温度；三是，可对工件进行一次渗层的球化退火。３．６畸变预防措施在通过调整工件的淬火工艺，合理设计夹具与改善冷却条件的基础上，保障工件受热的均匀性。４结束语总之，４５号钢是机械制造行业中用途非常广泛，但在对其热处理工艺中也出现了很多问题，必须加大研究，根据出现具体问题进行具体分析，并通过工艺试验得出预防控制措施。实用性以及效益性。防措施具有明显的可行性、参考文献：［１］松涛，顾军．热处理技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．［２］阎俊萍，，郑玉君．中碳高钒结构钢的研究［Ｊ］．包头钢铁学院学报，１９９８（７）：２４－２６．［３］李伟，杜楠，樊兆宝．１５－５ＰＨ马氏体时效钢的工艺性能［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２０１０（１）：３６－３８．［４］张双杰，刘玉忠，高小会，等．中碳钢（４５＃）开式冷挤压极限变形程度的实验研究［Ｊ］．河北科技大学学报，２０００，２１（４）：４６－４８．［５］李军，张双杰，韩鹏彪．开式冷挤压成形功率及挤压力的研究［Ｊ］．河北科技大学学报，２０００，２１（２）：１７－２１．［６］钱滨．４５钢热处理过程组织转变量预测的试验研究［Ｄ］．北京：清华大学，２００２．［７］冯广海．４５钢ＥＣＡＰ变形及组织细化研究［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２００４．（下转第１２２页）119EquipmentManufacturingTechnologyNo.4，2013在平整夯实器切入之前，安装中间的４个夯实器块时，由于夯实器臂安装有液压阀块，影响夯实器块的安装，必须将两侧臂张开一定角度，才能满足夯实器块的安装。切入之前安装夯实器块的步骤如下：首先将连接有夯实器块的夯实器悬挂内绑定松开，旋转夯实器块并用夯实器连锁装置将其放到固定支架上；将夯实器臂张开足够大的角度；整车向后退，将夯实器悬挂支架安装到平整梁上。在夯实器臂张到能给满足夯实器块安装时，夯实器平整梁的宽度将达到５．６ｍ；在完成挖掘作业切出过程中，拆解夯实器悬挂内时，夯实器平整梁的张开宽度同样会达到５．６ｍ。综上所述，在线间距小于４．６ｍ的复线作业时，平整夯实器在切入切出安装夯实器块时将会影响到邻线车辆的正常运行，需要对邻线进行临时封锁。在线间距不小于４ｍ的复线进行夯实作业过程中，不影响邻线车辆的正常运行。５．３边坡夯实器边坡夯实器悬挂在大挖掘车的后部车体的两侧，主要用于单线和复线路基面边坡的平整夯实。两侧的边坡夯实器全部展开，处于作业状态时的宽度为６．４ｍ；单侧展开后距离轨道中心的距离为３．２ｍ。根据国内铁路路基的实际情况，在作业过程中，通常不使用边坡夯实器进行边坡的修复工作，故在作业过程中我们不考虑边坡夯实器是否影响到邻线车辆的正常运行。６结束语路基处理车的各个作业装置庞大复杂，目前作业过程中对邻线的影响已经成为制约路基处理车正式上线作业的主要因素。参考文献：［１］铁道部．铁道技术管理规程［Ｋ］．北京：铁道部，２００７．［２］铁道部．铁路路基大维修规则［Ｋ］．北京：铁道部，２００８．［３］奥地利普拉赛－陶依尔铁路建设机械公司．ＡＨＭ－８００Ｒ型路基处理车操作手册［Ｋ］．林茨，２００９．［４］寇长青，宋慧京．全断面枕底清筛机［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００６．ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＴｒａｉｎＯｐｅｒａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｅｗｈｅｎＬＺＣ－８００ＲｏａｄｂｅｄＲｅｐａｉｒｅｄＶｅｈｉｃｌｅＷｏｒｋｉｎｇｏｎＤｏｕｂｌｅＴｒａｃｋＲａｉｌｗａｙＣＨＥＮＬｉ－ｈｕｉ（ＢｅｉｊｉｎｇＦｅｂ７ｔｈＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎａｌｙｓｉｓＢａｌｌａｓｔＥｘｃａｖａｔｉｎｇＣｈａｉｎ、ＲｏａｄｂｅｄＥｘｃａｖａｔｉｎｇＣｈａｉｎａｎｄＣｏｍｐａｃｔｅｄＳｙｓｔｅｍｏｆＬＺＣ－８００ＲｏａｄｂｅｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＶｅｈｉｃｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ－ｖｅｈｉｃｌｅ’ｓｃｌｅａｒａｎｃｅｇａｕｇｅ，ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ’ｓｃｌｅａｒａｎｃｅｇａｕｇｅｗｈｅｎｔｈｅｍａｉｎｄｅｖｉｃｅｉｓｏｐｅｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌｅａｒａｎｃｅｇａｕｇｅ；ｂａｌｌａｓｔｅｘｃａｖａｔｉｎｇｃｈａｉｎ；ｒｏａｄｂｅｄｅｘｃａｖａｔｉｎｇｃｈａｉｎ；ｃｏｍｐａｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第１１９页）４５ＳｔｅｅｌＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓｔｈｅＣｏｍｍｏｎＰｒｏｂｌｅｍｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｖｅＭｅａｓｕｒｅｓＫＯＮＧＪｉａｎ，ＪＩＡＮＧＭｉｎｇ－ｇｕｏ（ＹａｎｔａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，ｙａｎｔａｉＳｈａｎｄｏｎｇ２６４００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：４５ｓｔｅｅｌｉｓｍｅｄｉｕｍｃａｒｂｏｎｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｃａｒｂｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌ，ｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｇｏｏｄ．Ａｆｔｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｓｖｅｒｙｈｉｇｈ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｎｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｒｙｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｔｆｉｒｓｔｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ４５ｓｔｅｅｌｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎａｎａｌｙｓｉｓ４５ｓｔｅｅｌｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｍｏｎｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅ４５ｓｔｅｅｌｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：４５ｓｔｅｅｌ；ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｈａｒｄｎｅｓｓ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｃｒａｃｋ122
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