45鋼亞溫淬火參數(shù)模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究

萬家瑰

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江大慶 163318）

45鋼被廣泛用于制造軸類、齒輪、連桿、螺栓等零件，生產(chǎn)中為使其獲得良好的綜合力學(xué)性能，一般采用的常規(guī)熱處理為完全淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理。但45鋼淬透性較低，淬火時(shí)要求冷卻介質(zhì)的冷卻速度較大，完全淬火時(shí)工件容易出現(xiàn)韌性較低、硬度不均、變形開裂等問題[1-2]。為解決上述問題，需對45鋼熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，亞溫淬火是淬火溫度在Ac1～Ac3之間的一種熱處理工藝，在兩相區(qū)加熱，淬火溫度較低，可得到馬氏體基體上分布少量鐵素體的復(fù)相組織，淬火組織中殘余的鐵素體有利于降低組織中的位錯(cuò)塞積、改善韌性、降低零件的開裂傾向，提高產(chǎn)品綜合力學(xué)性能[3-4]。材料性能及相圖計(jì)算模擬軟件JMatPro基于材料理論性能模型及數(shù)據(jù)庫，計(jì)算準(zhǔn)確，用于熱處理參數(shù)計(jì)算可快速確定熱處理工藝參數(shù)范圍，提高生產(chǎn)效率[5-7]。本文利用JMatPro對45鋼進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算及相轉(zhuǎn)變計(jì)算[6-10]，對不同淬火溫度下的組織及性能進(jìn)行了模擬，制定出45亞溫?zé)崽幚砉に噮?shù)，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，為制定45鋼亞溫淬火工藝提供理論依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)材料與方法

（一）實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)材料45鋼為熱軋退火態(tài)，化學(xué)成分如表1所示。

表1 45鋼化學(xué)成分（Wt%）

（二）熱力學(xué)及相轉(zhuǎn)變計(jì)算。將45鋼的化學(xué)成分輸入JMatPro軟件可進(jìn)行材料的平衡相圖、TTT曲線、CCT曲線計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對不同冷卻速度和不同淬火溫度下的組織及性能進(jìn)行計(jì)算模擬，確定亞溫淬火最佳溫度。

（三）熱處理及性能實(shí)驗(yàn)。根據(jù)軟件模擬結(jié)果確定的亞溫淬火最佳溫度，制定熱處理工藝，所有試樣全部進(jìn)行850℃正火作為預(yù)先熱處理，淬火采用完全淬火及亞溫淬火進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，回火均為高溫回火，熱處理工藝曲線如圖1所示。

圖1 45鋼熱處理工藝曲線

對熱處理后的試樣進(jìn)行金相分析、硬度測試、拉伸實(shí)驗(yàn)及沖擊實(shí)驗(yàn)，硬度及金相試樣為ф15×15mm,拉伸試樣為ф10mm的標(biāo)準(zhǔn)短試樣，沖擊試樣為10mm×10mm×55mm夏比U型缺口試樣。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）45鋼平衡相圖分析。將45鋼的化學(xué)成分輸入JMatPro軟件進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，得如圖2所示的45鋼隨溫度變化的平衡相圖。

圖2 45鋼的平衡相組成

由圖2可知，45鋼的液相線溫度為1492℃，隨溫度降低析出高溫鐵素體和奧氏體，完全奧氏體化溫度為773℃至1409℃，725℃由奧氏體中析出滲碳體，200℃以下相組成為鐵素體、滲碳體、微量的MNS和M2P。

（二）TTT圖及CCT圖。奧氏體化溫度為860℃，晶粒尺寸為8.5ASTM，對45鋼進(jìn)行相轉(zhuǎn)變計(jì)算，可得45鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線TTT和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線CCT，TTT曲線如圖3所示，CCT曲線計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 45鋼TTT曲線

圖4 45鋼CCT曲線

由圖3可知，鐵素體的轉(zhuǎn)變開始溫度為773.8℃，珠光體的轉(zhuǎn)變開始溫度為725℃，貝氏體的轉(zhuǎn)變開始溫度為589.3℃。馬氏體的轉(zhuǎn)變開始溫度為338.7℃，轉(zhuǎn)變終了溫度為222.4℃。C曲線只有一個(gè)明顯的貝氏體轉(zhuǎn)變“鼻尖”，“鼻尖”的溫度為498℃～508℃，此溫度下過冷奧氏體最不穩(wěn)定，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)間只有0.47s。鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變沒有明顯的鼻尖，在578℃～588℃過冷奧氏體發(fā)生鐵素體轉(zhuǎn)變的時(shí)間最短，是1.11s，在578℃過冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的時(shí)間最短，是1.79s。

由圖4可知，A1溫度為725℃，A3溫度為773.8℃，Ms溫度為338.7℃。連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變組織受冷卻速度的影響，冷卻速度小于1℃·s-1，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和珠光體。冷卻速度為10℃·s-1，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體、珠光體、貝氏體。冷卻速度為100℃·s-1，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要為馬氏體及少量的鐵素體、珠光體、貝氏體及奧氏體。

不同冷卻速度下45鋼過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變組織及力學(xué)性能見表2，隨冷卻速度的增加，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中，鐵素體、珠光體的量減少，冷卻速度在10℃·s-1～100℃·s-1轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中出現(xiàn)貝氏體，要想獲得全部馬氏體組織，冷卻速度必須大于100℃·s-1。鋼的硬度、強(qiáng)度能隨過冷奧氏體冷卻速度的增加而增加。

表2 不同冷卻速度下45鋼的轉(zhuǎn)變組織及力學(xué)性能

（三）亞溫淬火工藝參數(shù)的確定。45鋼完全淬火溫度應(yīng)高于A3線30～70℃，根據(jù)CCT模擬計(jì)算結(jié)果可知A3溫度是773.8℃，A1溫度為725℃，取上線完全淬火溫度為840℃，亞溫淬火的溫度區(qū)間在A1～A3之間，取770℃、760℃、750℃進(jìn)行亞溫淬火，將淬火溫度輸入JMatPro軟件可進(jìn)行淬火性能計(jì)算。表3為冷卻速度100℃·s-1，不同淬火溫度下的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在室溫下的組織組成。

表3 不同淬火溫度轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織組成

由表3可知，840℃完全奧氏體化淬火，室溫組織中馬氏體含量最高，占91.48%，770℃～750℃為亞溫淬火，隨淬火溫度降低，室溫組織中馬氏體含量降低，鐵素體含量增加，珠光體、貝氏體含量變化不大。

不同溫度淬火組織的性能計(jì)算如圖5所示，亞溫淬火時(shí),隨淬火溫度降低力學(xué)性能有所下降，840淬火溫室下屈服強(qiáng)度是1871.6MPa，抗拉強(qiáng)度是2061.7MPa，硬度是58.1HRC，770℃亞溫淬火室溫下屈服強(qiáng)度是1795.1MPa，抗拉強(qiáng)度是1993.2MPa，硬度是57.1HRC。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于770℃下降較快，而硬度變化較小，可見亞溫淬火的溫度取770℃，力學(xué)性能接近完全淬火。

圖5 45鋼不同溫度淬火組織的力學(xué)性能

通過模擬計(jì)算可確定亞溫淬火的最佳溫度為770℃。

（四）亞溫淬火實(shí)驗(yàn)。

1.性能分析。對45鋼進(jìn)行840℃完全淬火+570℃回火和不同溫度的亞溫淬火+570℃回火處理后的力學(xué)性能如圖6所示。由圖6可知，840℃完全淬火+570℃回火的硬度為26HRC，抗拉強(qiáng)度為646MPa，屈服強(qiáng)度為344MPa，不同溫度亞溫淬火淬火+570℃回火后，硬度、強(qiáng)度隨淬火溫度的降低而下降，770℃淬火硬度為25.1HRC、抗拉強(qiáng)度為621MPa，屈服強(qiáng)度為336MPa，淬火溫度低于770℃，硬度、強(qiáng)度下降較快。840℃完全淬火+570℃回火的沖擊吸收功為112J，亞溫淬火的沖擊吸收功隨淬火溫度升高而增大，在770℃出現(xiàn)峰值,沖擊吸收功為125J，高于完全淬火。由此可見，770℃亞溫淬火+570回火可獲得良好的綜合力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算的結(jié)果相符。

圖6 45鋼不同淬火溫度+570℃回火的力學(xué)性能

2.金相組織分析。圖7為45鋼在不同溫度淬火+570℃回火后的組織，完全淬火+570℃的組織為回火索氏體，770～750℃亞溫淬火+570℃回火的組織是回火索氏體+鐵素體，隨亞溫淬火溫度降低組織中鐵素體量含量增加，回火索氏體量增減少。750℃淬火的組織中鐵素體含量最多，而且呈大片狀，鐵素體為軟韌相，因而強(qiáng)度、硬度最低。770℃淬火組織中鐵素體含量較少，并且呈粒狀分布于晶界，由于粒狀鐵素體的存在，使45鋼的韌性較完全淬火有所提高，并且強(qiáng)度、硬度降低較小，能夠獲得較好的綜合力學(xué)性能[11]。

圖7 45鋼不同淬火溫度+570℃回火的金相組織

三、結(jié)論

（一）45鋼的液相線溫度為1492℃，室溫下平衡相主要為鐵素體、滲碳體，A1線溫度為725℃，A3線溫度為773.8℃，Ms溫度為338.7℃。

（二）45鋼連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變組織受冷卻速度的影響，冷卻速度為100℃/s，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要為馬氏體及少量的鐵素體、珠光體、貝氏體及奧氏體。隨亞溫淬火溫度降低，室溫組織中馬氏體含量降低，鐵素體含量增加，珠光體、貝氏體含量變化不大。

（三）45鋼亞溫淬火時(shí)隨淬火溫度降低力學(xué)性能有所下降，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低于770℃下降較快，而硬度變化較小，亞溫淬火的溫度取770℃時(shí)，力學(xué)性能接近完全淬火。

（四）經(jīng)亞溫淬火實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，45鋼經(jīng)770℃亞溫淬火+570℃回火獲得回火索氏體及少量粒狀鐵素體組織，具有較好的綜合力學(xué)性能。