王吉洪

摘 要：本文通過實驗，觀察了45鋼高溫快速回火和常規(guī)回火工藝的晶相組織和晶粒形態(tài)，并測量出了其各狀態(tài)下的硬度值，對比了各種條件下回火的效果和能耗，分析和論證了45鋼高溫快速回火的可行性。

關(guān)鍵詞：45鋼；常規(guī)回火；高溫快速回火；索氏體

1.引言

45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，具有良好的機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，化學(xué)成分為：C：0.42～0.50%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.50～0.80%，Cr≤0.25%，我公司產(chǎn)品中有大量零部件材料使用45鋼，這些零件使用工況復(fù)雜，承受著壓縮、拉伸、剪切、扭轉(zhuǎn)或彎曲應(yīng)力，須具有一定的強(qiáng)度和硬度及良好的塑性和韌性。因此很多45鋼都要用到調(diào)質(zhì)處理來得到優(yōu)良綜合機(jī)械性能的回火索氏體組織以滿足使用要求。

熱處理作業(yè)需消耗大量的電能，如何在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，尋求節(jié)能的途徑以降低熱處理過程生產(chǎn)成本是我們需不斷探究的課題，我公司當(dāng)前淬火工藝為常規(guī)回火處理，生產(chǎn)中為提高設(shè)備利用率常采用積累一定數(shù)量淬火件，一起裝爐進(jìn)行回火，回火時間長，生產(chǎn)周期長，能耗大而且可能導(dǎo)致淬火件不能馬上進(jìn)行回火而產(chǎn)生裂紋等缺陷。本文用實驗論證高溫快速回火的可行性，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能耗。

2.實驗過程

實驗設(shè)備：型號分別為x-75和x-105的箱式電阻爐，布洛維硬度計，leica金相顯微鏡

實驗材料：Φ50的45號圓鋼

回火時間，通常指均勻燒透所用的時間，從工件入爐后爐溫升至回火溫度開始計算。可以參考以下經(jīng)驗公式：

本實驗采用105kw的箱式電阻爐按常規(guī)淬火工藝進(jìn)行淬火，用75kw的箱式電阻爐分別在560℃、650℃和750℃下以不同的保溫時間進(jìn)行回火，在爐溫升到300℃時裝入圓料，按照已確定的加工工藝和保溫時間，來完成本次試驗。

3.分析

3.1理論分析

鋼淬火后的組織是馬氏體和部分殘留奧氏體，它們都處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在回火過程中，會隨著回火溫度的升高發(fā)生組織變化而引起力學(xué)性能的改變。回火時的組織變化主要分四個階段進(jìn)行：

①.80～250℃溫度區(qū)間，馬氏體分解。

②.200～300℃溫度區(qū)間，馬氏體繼續(xù)分解，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體，但馬氏體很快被被回火成為回火馬氏體。

③.300～400℃溫度區(qū)間，馬氏體分解時以滲碳體的形式析出過飽和的碳。當(dāng)α固溶體中碳接近平衡狀態(tài)時，鐵素體恢復(fù)，晶格的扭曲基本消失，內(nèi)應(yīng)力隨之消除。

④.400℃以上溫度區(qū)間，孿晶全部消失，α相發(fā)生回復(fù)過程。鋼中碳化物通過減小表面積來降低能量，聚集成球狀。

⑤.600℃左右時，α相發(fā)生再結(jié)晶過程，由于再結(jié)晶結(jié)果，使α相晶粒長大，馬氏體針狀形態(tài)消失，形成多邊形的鐵素體。此時滲碳體也聚集成較大的顆粒。這種多邊形鐵素體和粒狀滲碳體的機(jī)械混合物，稱為回火索氏體。

以上所有的回火轉(zhuǎn)變都可以在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。在該范圍內(nèi)，在低溫度長時間與高溫度短時間發(fā)生的轉(zhuǎn)變可以有相同的效果。高溫快速回火就是基于這個原理提出的。馬氏體分解需要很大的激活能，據(jù)計算，它的分解激活能是4.1868x33000 J/mol。高溫快速回火時，回火時間短，回火應(yīng)快速進(jìn)行以使激活能高的馬氏體在高溫下快速分解，從而獲得較好的力學(xué)性能。

3.2實驗分析

通過常規(guī)高溫回火、650℃和750℃快速回火，分別在其Φ50圓料上打硬度，取其值，得到的洛氏硬度（HRC）數(shù)據(jù)如下表1所示：

淬火鋼在回火時硬度變化的總趨勢是，隨著回火溫度的升高，鋼的硬度不斷下降。硬度在HRC20-35的范圍內(nèi)，淬火加回火產(chǎn)物是回火索氏體；其直接分解產(chǎn)物是細(xì)珠光體，即索氏體。由上表可知，在560℃下回火的45號Φ 50圓鋼，保溫時間為210min， 所得硬度值為 HRC 20-25；在650℃下進(jìn)行回火的料，保溫時間為25min，所得的硬度值為HRC 22-26；而在750℃下進(jìn)行回火的料，其保溫時間僅為15min，就可達(dá)到硬度值HRC 18-22。符合所要生產(chǎn)加工要求。

回火過程中組織的變化就是馬氏體的分解、滲碳體的形成和變化、殘留奧氏體的分解及α相的恢復(fù)及再結(jié)晶等四個部分，除殘留奧氏體的分解外，回火過程的轉(zhuǎn)變實際上就是形成回火馬氏體、托氏體、和索氏體。傳統(tǒng)回火工藝和高溫快速回火都包括這三個部分?；鼗饡r，鋼件碳化物的轉(zhuǎn)變，也是通過形核和長大過程進(jìn)行的。通過對比各晶相圖觀察發(fā)現(xiàn)，其各溫度下回火的晶相沒有顯著的變化，所以常規(guī)高溫回火、650℃和750℃高溫快速回火所能達(dá)到的回火效果基本是相同的，且穩(wěn)定的。

4.結(jié)果討論

常規(guī)回火與高溫快速回火耗電量的比較：

實際生產(chǎn)中，由于裝爐量大，燒透時間長，為了使溫度均勻，一般保溫時間都在4小時以上，但本實驗中只有少量實驗材料，所以在計算用電量的時候應(yīng)該同理論計算時間相比較，下面計算按通?；鼗饡r使用X-75的功率進(jìn)行比較，由表2所示。

1）.常規(guī)回火時：開爐時間等于理論計算的保溫加上隨爐升溫的時間，約為5h；耗電量=開爐時間*功率=5h*75kw =375kwh

2）.650℃回火時：加上爐子從進(jìn)爐溫度300℃升到650℃所用及保溫時間，開爐時間等于120min，約為2h；

耗電量=開爐時間*功率=2h*75kw =150kwh

耗電下降率=（375-150）/375=60%

3）.750℃回火時；從進(jìn)爐溫度300℃升到750℃及保溫所用時間，開爐時間等于110min，約為1.8h。

高溫快速回火無脆化現(xiàn)象：回火脆性分為第一類回火脆性和第二類回火脆性。避免第一類回火脆性的方法是避開產(chǎn)生回火脆性溫度（200～350℃）進(jìn)行回火；避免第二類回火脆性的方法是回火后快冷。高溫快速回火的溫度遠(yuǎn)高于此溫度，又因為加熱時間短，冷卻速度快，避開了產(chǎn)生回火脆性的條件，因此就沒有回火脆性。

高溫快速回火的局限：淬火時由于鋼的淬透性的差別，使其尺寸效應(yīng)成為生產(chǎn)上的問題。鋼產(chǎn)生尺寸效應(yīng)有兩方面的原因：一是加熱和冷卻時工件的溫度不均勻，這是傳熱尺寸效應(yīng)；二是鋼本身相變過程的速度問題。如果回火時間長，尺寸效應(yīng)不明顯，但快速回火尺寸效應(yīng)不可忽視。

5.結(jié)論

通過對以上實驗數(shù)據(jù)和金相照片的綜合分析，高溫快速回火和常規(guī)回火工藝的晶相組織形態(tài)變化不大，并且硬度值相近，且各高溫回火效果相同，能達(dá)到生產(chǎn)加工工藝要求，所以高溫快速回火是可行的。

對比常規(guī)回火與高溫快速回火耗電量得出，在650℃和750℃快速回火的耗電明顯下降，且其耗電下降率分別為60%和64%，其顯著的節(jié)電效果能在用電緊張的生產(chǎn)中發(fā)揮重要意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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