中碳铬钼钢热处理工艺研究进展

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(1.安徽理工大学材料科学与工程学院 安徽 淮南 232001；2.安徽鑫宏机械有限公司 安徽 淮南 232001)

铬钼钢是一种常见的结构钢，具有高强度、高塑性和高韧性。35CrMo和42CrMo是铬钼钢的典型代表。金属热处理工艺是铬钼钢应用过程中常见的现场生产调制工艺，对铬钼钢的组织与性能有重要影响。如何在热处理工艺中协调好铬钼钢组织与性能的关系，实现材料利用率与实践应用性的提高，成为材料应用过程中关注与研究的重点[1]。35CrMo和42CrMo经过适当的热处理加工后，钢的组织会发生转变，达到预期的综合力学性能要求，传统的热处理工艺包括正火热处理、退火热处理、淬火热处理和回火热处理。

一、正火热处理

正火是—种改善钢材韧性的热处理。将钢构件加热到Ac3温度以上30～50℃后，保温一段时间出炉空冷。主要特点是冷却速度快于退火而低于淬火，正火时可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性(AKV值)，降低构件的开裂倾向。

王泽华等采用正交试验法研究正火温度对材料力学性能的影响程度，并进行重复验证。经过测试，结果表明正火工序起到均匀组织、细化晶粒的作用，可以提高工件的抗拉强度和屈服强度，获得优良的综合力学性能。王贞等采用不同的热处理工艺对铁素体-珠光体耐热钢的性能和组织进行了分析试验，通过力学性能测试和光学显微镜观察，结果表明正火工艺使组织分布均匀，珠光体中片状渗碳体将铁素体分开，有效阻止形变的发生，使材料强度和塑韧性得到提高。

二、退火热处理

退火是一种将钢加热到奥氏体转变温度，保温以后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺[2]。研究表明，35CrMo和42CrMo属于亚共析钢，故采用完全退火，将35CrMo和42CrMo加热到Ac3以上30℃，保温一定的时间后缓慢冷却。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部得到均匀化的奥氏体，完全退火的保温时间根据工件的有效厚度来计算。35CrMo和42CrMo经过完全退火后，原铸件中的粗大组织得到细化，使碳析出，减少基体的含碳量，将奥氏体转变为珠光体，从而可以消除内应力，降低硬度和提高切削加工性能。

肖洋[3]等观察42CrMo圆钢热轧以及退火后显微组织，分析造成硬度偏高的关键原因，完全退火后显微组织更加均匀，更趋于平衡组织，试样的退火硬度值为187HB，满足国标规定，为保证钢材具有良好的综合性能，采用完全退火工艺。峰山等分析42CrMo钢的成分并采用退火热处理工艺进行预处理，将试样加热到950℃，保温1.0h后随炉冷却，有效消除铸件的内应力和加工硬化，改善成分和组织的不均匀性和调整钢的力学性能和工艺性能，为后序的淬火工艺做好组织性准备。

三、淬火热处理

淬火是一种将钢加热到高温下保温，使钢的组织处于奥氏体状态，然后骤冷使奥氏体转变为马氏体，从而大幅度提高钢硬度的热处理方法。35CrMo和42CrMo的淬火温度在A3相变点以上50℃-100℃。淬火温度过低，马氏体转变不均匀，得不到正常淬火组织；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大化，发生氧化脱碳，降低钢的硬度和耐磨性。研究表明，最佳淬火温度应根据淬火钢成分的不同而确定。

同时，淬火加热时间也很重要，加热时间过短或过长会造成与加热温度不合适同样的后果。一般情况下，35CrMo和42CrMo的淬火加热时的升温速度不高于100℃/h，以获得均匀的奥氏体组织。保温时间根据有效截面厚度每25 mm/h 来计算，以完成奥氏体转变、成分均匀化以及析出二次碳化物。35CrMo和42CrMo的淬火温度均在800℃以上，属于高温淬火。故35CrMo和42CrMo采用油冷，在马氏体转变起始点以下时，冷却速度尽量缓慢，确保奥氏体不达到分解的冷却速度，而达到马氏体转变的冷却速度，以减少组织转变的应力。

刘军刚[4]等对厚规格35CrMo钢板进行热处理加工，在经过不同温度的淬火后，得出钢在850 ℃淬火时，奥氏体化完全的结果，奥氏体中含碳提高，完善淬火性能，形成了马氏体和贝氏体，由硬度测试结果可知，淬火加热温度高，淬火组织硬度大，满足实际生产要求。Abbaszadeh等超高强度铬钼钢在910℃奥氏体化40分钟后，采用三种淬火方式，经过显微组织检测后，在330℃的盐浴中淬火得到下贝氏体，由于原始奥氏体晶粒被下贝氏体分隔而导致强度增加，故形成下贝氏体的样品拥有良好的屈服强度，极限拉伸强度，伸长率和夏比V型缺口冲击能。

四、回火热处理

回火是指将淬火钢在低于共析温度下加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却到室温的工艺过程[2]。经过回火，碳化物从淬火钢中的马氏体中析出，硬度高和脆性大的淬火马氏体转变成韧性良好的回火组织。

杨栋杰[5]对35CrMo钢热处理工艺进行了优化，最后将其最优工艺制度定为850℃保温50 min(油淬)，再进行540℃回火保温40 min(水冷)。在此热处理工艺制度下，回火索氏体晶粒度达到9级，塑性韧性良好，性能稳定。陈俊丹等分析了不同的回火温度对淬火后的42CrMo钢冲击韧性的影响，得出在500-600℃之间回火后，随着回火温度的升高，冲击韧性显著提高的结果。高温回火后的组织为回火索氏体，渗碳体从片层状逐渐转化为颗粒状弥散分布，马氏体回火逐渐充分，基体逐渐软化，故冲击韧性显著提高。

五、结语

中碳铬钼钢是一种强度高、淬透性好、韧性好且无回火脆性的合金结构钢，通过不同的热处理工艺加工，控制熔融碳数量及非均匀奥氏体化域的碳组分变化，中碳铬钼合金钢可以更好的发挥其性能，最终提高产品质量，大幅度延长机器的使用寿命，在工业上实现使用价值。