45钢亚温淬火硬度不均匀原因分析

李亚红 盛春翔 葛莉娜 王 毅

45钢亚温淬火硬度不均匀原因分析

李亚红 盛春翔 葛莉娜 王 毅

（西安长峰机电研究所，西安 710065）

直径10mm的45钢亚温淬火后硬度不均匀，对其硬度、化学成分及显微组织进行分析。结果表明：45钢淬火硬度不均匀的原因是由于淬火时工件相互叠压，影响了工件的冷却速度，导致亚温淬火后的显微组织中除马氏体外还出现大量的块状铁素体、屈氏体和索氏体。

45钢；亚温淬火；硬度；冷却速度

1 引言

45钢具有较高的强度、塑性和韧性，良好切削加工性能，调质处理后可获得较好的综合力学性能，是工业中应用最为广泛的碳素结构钢。利用亚温淬火即临界区域的热处理工艺可明显改善钢的韧性，降低冷脆转变温度和抑制可逆回火脆性，既即能赋予材料良好的综合性能，又解决了45钢淬火变形和开裂问题[1]。

生产中用直径10mm×200mm的45钢棒料制造沉头螺钉，工艺流程为：下料→亚温淬火+回火→探伤→加工成型，亚温淬火后出现硬度不均匀情况。热处理工艺流程及要求为：亚温淬火：770℃×40min，20℃循环水中冷却，淬火后硬度不小于48HRC；回火：420℃×60min出炉空冷，要求硬度为35～38HRC；热处理过程要求，有效加热区炉温均匀性±5℃，工件单层摆放，工件从出炉到入水时间不超过5s。经亚温淬火后，工件出现硬度不均匀情况，分析硬度不均匀原因，提出解决淬火硬度不均匀的有效措施。

2 检测分析

将所处理的工件逐件进行硬度检测，检测位置为棒料中间位置及距两端20mm处，分别从硬度不均匀的工件上取样分析化学成分、金相组织，找出淬火硬度不均匀的原因。

2.1 硬度

检测原材料及亚温淬火工件的硬度值，结果显示，原材料的硬度在28～29HRC之间；亚温淬火不同工件之间的硬度值不均匀，硬度值在32～53HRC之间，主要表现为整根硬度高或整根硬度低；而相同工件的不同位置硬度差异也较大，硬度值在35～53HRC之间，主要表现一端硬度高另一端硬度低，硬度在同一根棒料不同部位分布不均匀，不符合工艺文件中要求淬火后硬度不小于48HRC的技术要求。

2.2 化学成分

选取亚温淬火后硬度为32HRC、41HRC、53HRC的三件不同工件，及不同位置硬度为38HRC和45HRC的同一工件，分别在不同硬度处切取试样，检测化学成分，并与原材料化学成分相对比，检测结果见表1。由表1可知，亚温淬火后的材料和原材料的化学成分均满足《优质碳素结构钢》（GB/T 699—2015）的相关要求。

表1 45钢的化学成分 %

2.3 金相组织

从原材料、硬度不均匀的同一件工件上切取硬度为38HRC及45HRC的试样检测显微组织，以及在硬度为32HRC、41HRC及53HRC的不同工件上切取试样进行显微组织检测，检测结果见图1。由图1可知，原材料的显微组织为铁素体+珠光体；硬度为32HRC的显微组织为弥散分布的较多的块状铁素体+少量屈氏体+较多索氏体；而硬度为38HRC的显微组织为弥散分布的较多的块状铁素体+较多屈氏体+少量索氏体；硬度为41HRC的显微组织中弥散分布的细小块状的铁素体+较多屈氏体+少量马氏体，且铁素体的含量较少，分散度更大；而硬度为45HRC的显微组织为细小弥散分布的铁素体+少量屈氏体+马氏体；硬度为53HRC的显微组织为弥散分布的细小铁素体+细针状马氏体，并且铁素体含量很少。

从45钢亚温淬火后的硬度变化可知，随着淬火后硬度逐渐增大，铁素体和索氏体含量逐渐减少；而屈氏体含量随淬火硬度的增加，表现为先增加随后逐渐减少；而马氏体含量随淬火硬度增加含量逐渐增大。

图1 45钢的显微组织

3 分析与讨论

表1所示的化学成分检测结果均符合标准，且原材料、淬火硬度不均匀的不同工件及相同工件的化学成分基本一致，说明不是混料或者材料化学成分不均造成淬火后硬度分布不均匀。而图1的显微组织检测结果显示不同硬度的工件的显微组织不同，原材料显微组织为铁素体+珠光体，亚温淬火后的显微组织应该为弥散分布的少量细小铁素体+马氏体，但不同硬度试样的显微组织差异很大，出现索氏体、屈氏体等不合格组织。

45钢的Ac1为725℃，Ac3为780℃[2]，即在725～780℃之间加热时，形成了奥氏体和铁素体的高温混合组织，随着加热温度的升高，混合组织中的铁素体量逐渐减少，形态发生改变，在770℃保温时，珠光体和大部分铁素体转变成奥氏体，其高温组织就是由奥氏体和少量弥散分布的细小铁素体组成的混合组织。在淬火冷却时，奥氏体转化为马氏体，而铁素体则保留在基体中，这是因为铁素体具有较好的韧性和塑性，可降低45钢高温淬火开裂的几率[3，4]。同时，亚温淬火温度还影响淬火组织中铁素体的含量、形态和分布，这种变化必然影响其相应的力学性能[5]。但图1的45钢亚温淬火组织中出现了三种不同的混合组织，铁素体、索氏体和屈氏体的混合组织，铁素体、屈氏体和马氏体的混合组织，铁素体和马氏体的混合组织，且铁素体量随着淬火硬度的增加逐渐减少，铁素体形态从大块状转变成细小弥散分布的针状物。而混合组织出现块状铁素体、索氏体和屈氏体，因45钢原始组织为铁素体和珠光体，而在亚温淬火的工件中出现较多块状铁素体，可能是淬火温度太低或者保温时间太短，使一部分铁素体未转变成奥氏体，在淬火过程中保留下来，或者淬火转移时间太长和淬火冷却速度太慢发生先共析铁素体析出。同时，在45钢亚温淬火中出现的索氏体和屈氏体，应是淬火冷却速度较慢所致，即在高温阶段抑制先共析铁素体析出，而在共析转变的较低温度由于冷速较慢生成了索氏体和屈氏体。即加热时组织转变不完全和冷却时冷速慢是造成亚温淬火组织中出现大块状铁素体的主要原因；而冷速慢是造成亚温淬火组织中的出现索氏体和屈氏体的主要原因。结合硬度、显微组织及前几个批次的生产情况分析认为，淬火冷速慢是导致45钢亚温淬火组织中出现大块状铁素体、索氏体和屈氏体的主要原因[6]，而淬火介质的冷速低和工件淬火时相互叠加是形成铁素体、索氏体和屈氏体的关键因素。

45钢的连续冷却相变点Ar3为751℃，Ar1为682℃[2]，即在751℃时过冷奥氏体发生转变，同时，由图2所示45钢连续冷却转变曲线[7]可知，淬火过程中，随着淬火冷却速度的变化，淬火组织中可能出现铁素体、珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体或者马氏体的混合组织，因此，淬火介质温度高、不流动会显著降低冷却速度[8]，导致工件淬火后硬度低，同时，介质中杂质多也会降低冷却能力，在淬火过程中易出现软点，而现场的淬火介质为循环水，水温在20℃左右，也未发现杂质等，且在该淬火介质中生产的其他工件硬度均满足要求，因此，淬火介质不是造成淬火后硬度不均匀的原因。此外，工件在淬火介质中相互叠加导致冷却速度下降，生成先共析铁素体，从45钢连续冷却曲线[7]可知，600℃为C曲线转变的临界点,即冷却速度不小于该临界点冷却速度才能保证不会转变为先共析铁素体,因45钢淬透性差，一般水淬临界直径为16mm左右，当工件互相叠加时，因叠加层数增加形成的尺寸效应对冷却速度影响较大，导致淬火后形成了不同组织，因此，淬火冷却过程中有可能出现因工件叠加造成热处理后出现铁素体、索氏体及屈氏体等，进而导致淬火后工件硬度分布不均匀；从出水的料框中观察到，部分工件相互叠压在托盘一边，因此，工件冷却过程相互叠加可能是造成淬火后出现较多块状铁素体以及索氏体和屈氏体的主要原因。

45钢亚温淬火后显微组织不同，必然会造成硬度差异，由于显微组织中马氏体硬度最高，依次分别为贝氏体、屈氏体、索氏体、珠光体、铁素体硬度最低，同时，显微组织中马氏体含量越高，硬度越高，铁素体含量越高，硬度越低，造成了亚温淬火后因显微组织不同出现硬度不均匀的现象。

综上所析，工件在淬火冷却过程中的相互叠加导致各个工件的冷却速度不同，从而转变成不同的组织，组织的不均匀性最终导致淬火后工件的硬度不均匀。

4 验证试验

淬火冷却时工件的相互叠压降低了工件的冷却速度，从而导致淬火后工件硬度不均匀。为验证上述原因分析，采用两组验证试验，保持参数和设备不变，仍按40件单层均匀放置在不锈钢托盘中。淬火时，按图2将工件倒入淬火料框中，一组将托盘中的工件散乱地倒入水槽的料框中，一组将工件和托盘一起倒入料框，且工件在托盘中互相叠压，料框在循环水中上下移动，工件冷至室温后按照工件在料框中的叠放位置由上至下检测硬度。工件分别检测头部和中间部位，检测结果显示，淬火后在料框中散乱放置的工件，硬度在49～53HRC之间，满足淬火后硬度不小于48HRC的技术要求。而淬火后相互叠加的工件硬度差异较大，硬度在35～53HRC之间，具体表现为中间部分工件硬度较低，硬度在35～45HRC之间，上层硬度45～53HRC之间，同时，同一工件不同位置的硬度差异也较大，没有叠压部分硬度50～52HRC，叠压部位硬度在35～42HRC之间。验证了淬火冷却时工件的相互叠压使各个工件的冷却速度不同，从而导致淬火后工件硬度不均匀。

图2 工件摆放方式

5 结束语

45钢化学成分满足标准要求；亚温淬火组织中出现的不合格组织为大块状铁素体、屈氏体、索氏体等混合组织；而淬火时相互叠压使工件冷却速度不均匀，导致显微组织中出现了索氏体、屈氏体以及大块状的铁素体等的混合组织，是造成工件的硬度分布不均匀的主要原因。因而建议在淬火时工件分散入水，防止因相互叠压影响淬火硬度的均匀性。

1 王传雅，徐凡娴. 亚温处理对45钢制零件的变形开裂和力学性能的影响[J]. 热加工工艺，1993(6)：8～10

2 中国材料工程大典编辑委员会.中国材料工程大典[M].北京：化学工业出版社，2005

3 李亚红，郑淑丽，朱伟强，等. 45钢淬火裂纹分析及改进[J].航天制造技术，2015(5)：50～52

4 李安铭. 预处理工艺对30CrMnSi钢亚温淬火后组织与性能的影响[J]. 热加工工艺，2013,38(12)：75～77

5 王泾文. 淬火温度对20CrMnTi钢组织和性能的影响[J]. 热加工工艺，2005(1)：51～52

6 蒋涛，雷新荣，吴红丹，等. 热处理工艺对碳钢硬度的影响[J]. 热加工工艺，2011，40(4)：167～168

7 中国航空材料编辑委员会. 中国航空材料手册—结构钢、不锈钢[M].北京：中国标准出版社，1988

8 松涛，顾军. 热处理技术[M]. 北京：化学工业出版社，2003

Reason Analysis on Uneven Hardness of 45 Steel after Intercritical Quenching

Li Yahong Sheng Chunxiang Ge Lina Wang Yi

(Xi'an Changfeng Research Institute of Mechanism and Electricity, Xiʼan 710065)

The hardness, chemical composition and microstructure of 45 steel with diameter of 10mm were analyzed on uneven intercritical quenching hardness. The results show that the uneven hardness of 45 steel is due to the superposition of workpieces during intercritical quenching, which affects the cooling rate of the orkpiece, resulting in the appearance of massive ferrite, troosite，and sorbite in the microstructure after intercritical quenching besides martensite.

45 steel；intercritical quenching；hardness；cooling rate

TG157

A

李亚红（1982），高级工程师，材料学专业；研究方向：金属热处理及失效分析。

2021-01-31