调质钢是指经过调质处理(淬火+高温回火)后使用

来源:热处理工艺问答作者:袁凤松
调质钢 调质钢是指经过调质处理(淬火+高温回火)后使用的碳素结构钢和合金结构钢,经调质处理后得到回火索氏体组织,具有较高的强度和良好的塑韧性,小的缺口敏感性,即具有良好的综合力学性能。调质钢属于中碳钢,是机械制造中最常用的一类钢,品种繁多,应用广泛,根据需要,可以选用具有不同淬透性的碳素钢或合金钢。调质钢常用于制造汽车、拖拉机、机床及其它机械上要求具有良好综合力学性能的重要零件,如柴油机连杆螺栓、汽车底盘上的半轴及机床主轴等。 一、化学成分 一般调质钢碳含量介于Wc0.25~0.50%之间,碳含量过低不易淬硬,从而在回火后不能达到所需的硬度,若碳含量过高,则韧性不足。由于钢中的合金元素具有强化作用,相当于增加了钢的碳含量,如40Cr相当于45钢的碳含量。合金调质钢中的主要添加元素有Cr、Ni、Mn、Si等,它们大都溶入铁素体,使铁素体得到强化,并增加了钢的淬透性,淬透性是调质钢的一个重要性能指标。其次如Mo、V、Al、B等合金元素,含量一般较少。Mo的主要作用是防止高温回火时发生第二类回火脆性;V的作用是阻止奥氏体晶粒长大;Al的作用是在渗氮时能加速合金调质钢的渗氮过程,强化渗氮效果;钢中加入微量的B(0.001~0.004%)能显著增加钢的淬透性,其对淬透性的作用大约相当于WCr0.3%或WMo0.2%。B是我国的富有元素,因此B钢是很有发展前途的。 二、热处理特点 调质钢的热处理可分为两种: 1.预备热处理 合金调质钢的预备热处理根据其化学成分和组织特点分为退火正火正火+高温回火。 对于合金元素含量较少的钢,调质前常进行正火处理,正火后组织为索氏体;对于合金元素较多的钢,可采用退火或正火+高温回火。因为正火后组织可能为马氏体,硬度较高,不利于切削加工,故正火后应进行高温回火(650~700℃),使其硬度降至200HBS。 2.调质处理 是使机械零件达到设计要求的关键。淬透性的大小直接影响钢的最终力学性能。 调质钢热处理的第一步工序是淬火,淬火温度必须按照规定的温度加热(具体加热温度的高低要根据钢的成分来确定),淬火介质应根据零件尺寸大小和钢的淬透性高低来选择,除碳钢外一般合金调质钢都在油中淬火,对合金元素含量较高或淬透性特别好的钢件,空冷就可淬得马氏体组织。 处于淬火状态的钢,内应力较大且较脆,不能直接使用,必须进行第二步热处理工序——回火,其目的是消除内应力,增加韧性,调整强度,获得良好的综合力学性能。调质钢零件一般采用500~650℃回火,具体回火温度应根据钢的成分及对性能的要求而定。通过调节不同的回火温度可以得到不同的硬度和最终性能。为了抑制某些合金调质钢(含有Cr、Mn、Ni等元素)回火时慢冷造成的第二类回火脆性,回火后一般要快冷(油冷)。但对大截面的零件,中心部分难以达到快冷的目的,为了防止回火脆性应采用含有Mo、W等元素的调质钢,其适宜含量为:WMo0.15~0.30%之间,WW0.8~1.2%之间。 调质钢零件,除要求具有良好的综合力学性能外,往往还要求表层有良好的耐磨性。这时,经调质处理后的零件还应进行感应加热表面淬火。如果对耐磨性要求极高,则需要选用专门的调质钢进行专门的化学热处理,如选用38CrMoAlA钢进行表面氮化处理。 三、常用调质钢的性能特点及应用 40、45钢等中碳钢经调制热处理后,力学性能不高,只适用于制造尺寸较小、载荷较轻的零件,合金调质钢则可用于尺寸较大、载荷较重的零件。由表6-1可见,40CrNiMo、42CrMo钢的综合力学性能较好,尤其是强度较高,比相同碳含量的碳素调质钢约高30%左右。常用的合金调质钢通常包括三种系列: 1.Mn钢、Mn-B钢 这类钢中主要合金元素Mn的作用是强化铁素体和增加淬透性,这类钢可以代替40Cr,制造截面小于50mm的零件。Si-Mn钢的强度较好,但韧性和塑性较差,退火后硬度偏高,切削加工困难的问题还有待解决。 2.Cr钢、Cr-Mo钢、Cr-V钢、Cr-Mn钢 Cr钢中最常用的钢种是40Cr,Cr的加入主要是增加淬透性,强度有所提高,对塑性、韧性影响不大。Cr-Mo钢、Cr-V钢是在40Cr钢基础上发展起来的,35CrMo、42CrMo、40CrV钢中的Mo、V不仅增加淬透性,而且还能细化组织,防止第二类回火脆性,提高钢的塑性和韧性。Cr-Mn钢中加入Cr、Mn两种元素,能更好的提高钢的淬透性和强度,但这类钢有回火脆性和过热倾向,因此常在钢中加入Ti或Mo成为40CrMnTi或40CrMnMo钢,但韧性较差。 3.Cr-Ni钢、Cr-Ni-Mo钢 钢中同时加入Cr和Ni元素,可获得更好的力学性能,高的强度,塑性和韧性,同时也有很好的淬透性,但Cr-Ni钢有回火脆性,25Cr2Ni4WA和35CrNi3MoA钢具有十分良好的力学性能,可用作大截面零件,但这类钢中Cr、Ni元素较多(我国缺Ni)现在常用40CrMnMoVB钢代替35CrNi3MoA钢制造大截面零件。 40Cr钢是合金调质钢中最常用的钢种。下面就以40Cr钢制造的拖拉机连杆螺栓为例,说明其热处理工艺方法的选定和工艺路线的安排。 连杆螺栓是发动机中一个重要的连接零件,在工作时它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力。在发动机工作中,连杆螺栓若是发生断裂,则会引起严重事故,因此要求它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为满足上述综合力学性能的要求,确定40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺。 连杆螺栓的生产工艺路线如下: 下料→锻造→退火(或正火)→机加工(粗)→调质→机加工(精)→装配 作为预先热处理的退火(或正火),其主要目的是为了改善锻造组织,细化晶粒,获得合适硬度,利于机械加工,并为后续的调质热处理作好组织准备。 调质热处理——淬火:加热温度840±10℃,油冷,获得马氏体组织; 高温回火:加热温度525±25℃,水冷(防止第二类回火脆性)。 经调质热处理后金相组织应为回火索氏体,不允许有块状铁素体出现,否则会降低强度和韧性,其硬度大约为30~38HRC(263~322HBS)。 必须指出,凡要求调质零件硬度较高者(如平均硬度大于285HBS),可先进行粗加工,然后再调质。对精度要求高的零件,调质后还需进行精加工。对调质零件硬度要求较低者(一般为170~230HBS,最高平均硬度不超过285HBS),可采用“锻造→调质→机加工”工艺方案,此方案中调质工序与热加工紧紧相连,以便推广锻热淬火(又呈高温形变热处理),即在锻造时控制锻造温度,锻后利用锻造余热进行淬火。锻热淬火不仅简化工序,节约工时,降低成本,还可提高调质钢的强韧性,这是由于回火后容易得到均匀的回火索氏体并且提高了回火稳定性所致。