070M 55钢正火工艺的优化

杨新武，宛 农

(武汉工业学院机械工程学院，湖北武汉430023)

070M55相当于国内的55#钢，为高强度中碳钢，是机器中典型轴类零件常用材料之一。所制造轴一般在正火或淬火后使用，用作要求强度和耐磨性较高而弹性、动载荷及冲击负荷不大的零件。但在常规正火后有时会出现粗晶、混晶等组织缺陷，影响其综合力学性能。目前对45#钢研究比较多，少见关于070M55工艺方面的研究，因此有必要分析其产生缺陷的原因，并提出相应的改善措施。

1 组织缺陷分析

大型锻件由于锻造温度高、保温时间长，锻造比小以及心部锻件变形不均匀，极易出现混晶、粗晶等组织缺陷，需要锻后热处理来消除。锻后热处理包括预备热处理和最终热处理。对于碳素钢而言，一般只需进行预备热处理就可达到生产要求。070M55为亚共析钢，锻后热处理的理想组织为细小均匀的铁素体+珠光体。在实际生产中，往往由于微区成分偏析以及正火工艺不当而出现如图1所示组织缺陷。由于块状粗晶组织的存在，会导致强度下降、塑性和韧性变差，最终会使整个工件报废。

粗晶主要是由大的珠光体团组成，而产生块状珠光体的原因与高温时奥氏体晶粒大小和冷却速度有关。当奥氏体晶粒粗大时，冷却到共析温度时，珠光体在奥氏体晶界处的形核率降低，沿晶界形成的珠光体需要较长的时间才会相互接触，导致珠光体不断长大;再加上粗大奥氏体在珠光体转变时会先析出少量铁素体，而先析出的铁素体周围碳浓度梯度较大，当正火温度较高或保温时间较长，容易造成碳原子扩散，促使渗碳体的长大，从而导致先析出的铁素体逐渐被长大的渗碳体覆盖，最后形成较大的珠光体团［1］。同时由于心部和表面在冷却时散热系数不同，以及局部C、Mn等微量元素存在偏析，增加了过冷奥氏体的稳定性，在冷却过程中难以得到均匀的片层状珠光体组织。

图1 070M55常见的组织缺陷

2 工艺改进

正火要达到目的，首先是使之完全奥氏体化，但又不能使温度太高引起奥氏体晶粒粗大，如果奥氏体化时晶粒已经粗大，在重结晶后也会得到相应粗大组织。对于070M55，由于没有合金元素的加入，不存在合金元素的溶入及其均匀化方面的问题，即070M55正火时可以不需要太高的奥氏体化温度。

根据070M55化学成分范围要求(0.50%≤C≤0.60%，0.10% ≤Si≤0.40%，0.50% ≤ Mn≤0.90%)，计算时具体成分取(C=0.55%，Si=0.3%，Mn=0.7%)，由 Thermo－calc软件可以计算出相的质量分数与温度的关系，如图2所示。

从图2可以看到，Ac3点的温度在760℃左右时，由于070M55不是国标中的钢种，很少查到关于其相变点的文献，参考55#钢的文献［2］资料(Ac3=774℃，Ar3=755℃)看出，由Thermo－calc计算出的相变点与文献很接近，可以作为制定工艺的依据。

图2 相的质量分数与温度的关系

070M55通常的正火温度选择是840℃，相比一般资料推荐的正火温度Ac3+(30－50)℃有所偏高，而且碳素结构钢缺少阻止奥氏体晶粒长大的合金元素，加热温度过高时，奥氏体晶粒很容易长大。另外，从过冷奥氏体连续转变的CCT曲线可以看出，在化学成分一定的情况下，降低加热温度可以缩短组织转变的孕育期，这样有利于提高珠光体的晶粒度，从而达到细化晶粒的目的［3］。同时可以看出，在730℃以后才出现珠光体转变，为了在珠光体转变之前让铁素体充分析出，可以在740℃时等温后转空冷。这样便于均匀析出铁素体，同时也让局部微合金元素原子扩散均匀化，从而避免在奥氏体化保温时晶粒的长大。通过分析，取810℃作为正火温度，炉冷到740℃转空冷进行实验，处理后的金相组织如图3所示。

图3 810℃正火的金相组织

从图3可以看到金相组织比较均匀，粗晶、混晶基本消除。为了验证正火温度的进一步降低是否会产生更好的晶粒细化效果，进行790℃的正火实验，处理后的金相组织如图4所示。

图4 790℃正火的金相组织

从图4看出，晶粒明显细化，不存在混晶等粗大组织，只有少数不连续的原奥氏体晶界痕迹，符合正火后的检测标准。由此可见，如果继续降低正火温度，有可能遗传原始粗大奥氏体晶界，从而重新出现混晶组织。因此要想消除070M55混晶、粗晶组织，正火温度宜在790～810℃之间。

3 结论

3.1 070M55在790～810℃正火时可以消除产生粗晶、混晶等组织缺陷。

3.2 Thermo－calc软件计算的数据可以用来指导制定一些非标准钢的热处理工艺。

［1］雷朝阳，伍继军.50钢车辆热处理局部粗晶分析与对策［J］.机车车辆工艺，2005(5):38－39.

［2］刘昌宗.珠光体转变与退火［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［3］杨继璋.35钢制药筒筒底采用亚温正火的实验研究［J］.包头职业技术学院学报，2006，7(3):23－24.