5号钢热处理工艺.docx

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5号钢热处理工艺

45号钢热处理工艺

学号：

XXXXXX

姓名：

XXXXX

指导老师：

XXX

一、综述4

1．调质淬火4

（1）淬火加热温度4

（2）淬火冷却4

（3）淬火冷却方法5

2．45钢的调质淬火5

3．回火6

（1）回火目的6

（3）常用回火方法6

4．45钢淬火后的回火6

二、选题依据7

三、实验材料与设备8

1.实验设备8

2.实验材料8

三、实验过程8

1.试样的热处理8

（1）淬火8

（2）回火9

2.试样硬度测定9

3.显微组织观察与拍照记录9

（1）样品的制备9

（2）显微组织的观察与记录9

五、实验结果与分析10

1.样品硬度与显微组织分析10

2.硬度测试数据11

3.淬火对试样性能的影响11

（1）淬火温度的影响11

（2）淬火介质的影响12

4.回火对试样的影响12

（1）回火温度对45钢组织的影响12

（2）回火温度对45钢硬度和强度的影响13

（3）以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响13

六、结论14

1.淬火条件影响样品的组织和性能14

2.回火温度影响样品的组织和性能14

3.碳元素影响样品的组织和性能。

14

七、参考文献14

一、综述

【内容摘要】：

45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。

它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

45钢淬火温度在A3+（30～50）℃，在实际操作中，一般是取上限的。

偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。

为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。

【关键字】：

调质淬火45钢的调质淬火回火45钢淬火后的回火

1．调质淬火

调质是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。

为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在0.30~0.50%。

调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。

通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。

淬火

——淬火是将工件加热到AC3或AC1点以上某一温度保持一定时间。

然后以适当速度快速冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。

目的：

就是为了获得马氏体或下贝氏体组织，提高强度硬度，以便在随后不同温度回火后获得所需要的性能。

（1）淬火加热温度

淬火温度主要是根据Fe—Fe3C相图中钢的临界点确定。

亚共析钢的淬火加热温度：

AC3以上30℃~50℃，使钢完全奥氏体化，淬火后获得全部马氏体组织。

共析钢、过共析钢的淬火加热温度：

为AC1以上30℃~50℃，得到奥氏体和部分二次渗碳体，淬火后得到马氏体（共析钢）或马氏体加渗碳体（过共析钢）组织。

（2）淬火冷却

淬火冷却时，要保证获得马氏体组织，必须使奥氏体以大于马氏体临界冷却速度冷却，而快速冷却会产生很大淬火应力，导致钢件的变形与开裂。

因此，淬火工艺中最重要的一个问题是既能获得马氏体组织，又要减小变形、防止开裂。

常用冷却介质：

目前应用最广泛的淬火冷却介质是水和油。

实际生产中，使用的冷却介质较多，到目前为止，尚未找到一种介质，能完全符合理想淬火冷却速度的要求。

水具有较强烈的冷却能力，用作奥氏体稳定性较小的碳钢的淬火，水冷却介质最为合适。

油的冷却能力比水小，因此，生产中用油作冷却介质，只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火。

（3）淬火冷却方法

①单介质淬火是采用一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。

这种淬火方法的优点是操作简便，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。

形状简单、尺寸较大的碳钢工件多采用水淬，小尺寸碳钢件和合金钢件一般用油淬。

缺点对大尺寸和或形状复杂的工件，采用水淬变形开裂倾向大，而油淬冷却速度小，淬不硬。

②双介质淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时，立即转入冷却能力弱的介质中冷却。

常用的有“水——油”、“水——空”双介质淬火。

这种方法能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀的工件的淬火。

但操作时应严格控制工件在水中的停留时间，要求操作工人必须具备丰富的经验和熟练的技术。

2．45钢的调质淬火：

45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。

它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

45号钢的淬火温度在820~840度左右，在实际操作中，一般是取上限的。

偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少。

为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间,一般为1min/mm,如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。

不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。

但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。

我们认为，如装炉量大，加热保温时间需延长1/5。

因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液,45号钢水淬容易有软点的.。

水温要小于30°。

工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。

因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。

由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。

另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。

静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。

45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中。

3．回火

——回火是将工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

回火使工件获得所需的使用性能。

（1）回火目的

钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，并且有内应力产生，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在内应力作用下容易产生变形和开裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。

因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。

回火的目的是：

①减少或消除淬火内应力；②稳定组织，稳定尺寸；③降低脆性、获得所需要的力学性能。

（2）回火时组织与性能的变化

淬火钢的组织转变可分为四个阶段：

马氏体的分解（200℃以下）→残余奥氏体分解（200～300℃）→渗碳体的形成（250～400℃）→渗碳体聚集长大（400℃以上）。

随着回火温度升高，淬火内应力不断下降或消除，硬度逐渐下降，塑性、韧性逐渐升高。

（3）常用回火方法

①[低温回火]（<250℃）低温回火后得到回火马氏体组织。

其目的是降低钢的淬火应力和脆性，回火马氏体具有高的硬度（一般为58~64HRC）、强度和良好耐磨性。

因此，低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。

②[中温回火]（250℃~500℃）中温回火后得到回火托氏体组织。

使钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度（一般为35~50HRC），良好的塑性和韧性。

中温回火主要用于各种弹性元件及热作模具。

③[高温回火]（>500℃）高温回火后得到回火索氏体组织。

工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

调质后，钢具有优良的综合力学性能（一般硬度为220~230HBS）。

高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的曲轴、连杆、螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。

4．45钢淬火后的回火

（1）加热温度通常为200℃，硬度要求为HRC44~48。

200℃回火金相为回火马氏体.图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。

关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。

（2）45钢淬火后硬度不足，主要原因有两方面：

①45钢加热温度偏低，或保温时间不足。

在此状态下，组织中奥氏体的碳和合金元素含量不够，甚至组织中还残存着未转变的珠光体或未溶铁素体，导致45钢淬火后硬度达不到。

②45钢加热温度过高，或保温时间过长，造成45钢表面脱碳，导致硬度变低。

结论：

1.淬火条件影响样品的组织和性能。

2.回火温度影响样品的组织和性能。

3.碳元素影响样品的组织和性能。

45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性，但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷，通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响，对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能，找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律，并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析，最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。

二、选题依据

45号钢是优质碳素结构用钢，硬度相对不高，切削加工相对容易。

45号钢既能做模具模板，又可制造曲轴、轴、活塞销、工夹具等要求强度较高的零件，应用十分广泛。

为使45钢具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

它不改变45钢的外形，通过热处理能充分发挥45钢的潜力，并赋予45钢所需要的各种特殊性能，达到提高45钢质量，延长使用寿命，确保机器运行安全可靠的目的。

亚温淬火作为45钢的一种强韧化工艺，正在国内外迅速发展。

一方面它能提高45钢的强韧化效果，阻碍裂纹的扩展，改善有害杂质的分布，提高45钢的综合机械性能；另一方面由于其加热温度较低，因此可降低加热成本，提高能源利用率[3]。

尽管热处理能提高45钢的机械性能、消除残余应力和改善切削加工性，但是淬火加热温度、冷却介质和回火温度的选择不当及操作不当可能会出现热处理缺陷，使45钢成为不合格品或废品，造成经济损失，如果热处理缺陷不能及时发现，带有缺陷的45钢产品投入使用，可能会引起重大事故。

为此本文通过研究不同热处理工艺对45钢显微组织和性能的影响，对比不同热处理工艺条件下45钢的显微组织和机械性能，找出45钢显微组织和机械性能的影响因素和影响规律，并对热处理后的硬度、耐磨性等性能进行测试分析，最后得出制造不同零件时45钢的较佳热处理工艺。

三、实验材料与设备

1.实验设备

（1）热处理加热炉：

箱式电阻炉；HR-1500洛式硬度计（洛氏硬度C标尺）；金相显微镜及数码照相系统磨光机及金相砂纸；抛光机及抛光液；

（2）浸蚀剂、酒精、玻璃器皿、脱脂棉、滤纸等；

2.实验材料

试样：

直径φ10mm，高度15mm的45钢，T8钢圆柱状小试样。

三、实验过程

利用箱式电阻炉、洛式硬度计、金相显微镜对45钢样品进行热处理（淬火加560℃回火）、测硬度以及显微组织观察分析。

本实验以得到马氏体为目标，需要经过淬火加回火工艺获得良好的性能及符合要求的组织。

1.试样的热处理

（1）淬火

①加热温度根据本实验热处理的目的，本实验选择淬火加热温度为840℃

②保温时间本45号钢样品直径为φ10mm的小圆柱体，高度与直径相差不大。

所以不单独考虑升温时间，α取2min/mm，k取1。

根据实验原理中的式子t?

?

?

K?

H，计算得加热时间为20min。

③冷却介质由45钢的连续冷却转变曲线可知，碳钢的临界冷却速度很大，应选用具有较强冷却能力（见表4.1常用冷却介质的冷却直径）的水作为冷却介质，才能避免冷却曲线与C曲线相交，得到索氏体组织。

已查得45钢淬火临界直径如表4.1所示，选择水作为淬火冷却介质能保证φ10mm圆柱样品被淬透。

淬火介质

静油

20℃水

40℃水

20℃5％

NaCl水溶液

临界直径（mm）

10

20

16

21.5

表4.1常用冷却介质的冷却直径

具体操作：

把样品放入箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，调节加热温度，待测温仪显示为840℃时开始计时，保温20min后，用火钳夹出样品迅速放入冷水槽中并剧烈搅拌，使样品能淬透。

（2）回火

①加热温度实验要求的回火加热温度为560℃（在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织）

②冷却介质空气，进行空冷。

具体操作：

把经过淬火处理后的样品放入已调好温度的560℃箱式电阻炉内恒温区的耐火砖上，待使炉温稳定后开始计时，保温30min后，用火钳夹出样品放在已准备好的耐火架上空冷至室温。

2.试样硬度测定

将冷却至接近室温的试样在砂轮机上打磨，去掉表面氧化皮。

用360#砂纸将试样表面磨平，再依次使用400#、600#、800#、1000#、1200#、1500#砂纸打磨。

然后，将样品放在洛式硬度计的载物台上，采用洛式硬度C标尺测量样品硬度（硬度计压头为金刚石，量程20～70HRC，加载载荷为150kg）。

在试样上不同位置取四个点，第一个点不计入数据，后三个点计入数据，若三个点硬度值相差不大说明组织较为均匀，最后对三个测量值求平均值。

3.显微组织观察与拍照记录

（1）样品的制备

①样品的磨光。

用一套金相砂纸（包括360#，400#，600#，800#，1000#，1200#、1500#）在玻璃板上先粗后细逐号磨光。

注意每换上一号细一些的砂纸时，将磨光方向转换90°，以便于观察原磨痕的消除情况。

最后，将样品在磨光机上磨光，注意手持样品应用力均匀，用力也不宜过大。

②样品的抛光。

样品在金相样品抛光机上细抛，使样品表面达到光亮如镜的光洁度。

③显微组织的显示。

将抛光好的样品，直接在显微镜下观察，应基本上没有磨痕和磨坑，而无法观察到晶界、各类相和组织。

本实验采用化学浸蚀法，将浸蚀液（4%硝酸酒精）和纯酒精各倒入一个玻璃器皿中，用竹夹子夹脱脂棉、蘸浸蚀液在样品表面擦试，当光亮镜面呈浅灰白色，立即用水冲

（2）显微组织的观察与记录

制备好的样品用显微镜在40～400倍不同放大倍数下观察组织，体会放大倍数的不同对组织观察的影响。

选择合适的放大倍数（200倍，400倍）利用数码照相系统对45钢样品进行数码照相。

五、实验结果与分析

1.样品硬度与显微组织分析

（1）处理方式：

无处理

组织分析：

铁素体和珠光体，但比退火的晶粒要小，硬度要高一些。

图5.1200×45钢原样图5.2400×45钢原样

（2）处理方式：

840℃淬火

组织分析：

针状淬火马氏体和残余奥氏体。

图5.3200×45钢淬火图5.4400×45钢淬火

（3）处理方式：

560℃回火调质

组织分析：

铁素体和粗粒渗碳体的混合物――回火索氏体。

回火索氏体在光学显微镜下呈较为粗大的晶体颗粒，其内分布着细均匀颗粒小球状碳化物。

从图中可看出样品浸蚀效果较好，渗碳体微粒能比较清楚的呈现。

图5.5200×45钢回火图5.6400×45钢回火

测得该样品硬度为28HRC。

根据其硬度和微观组织形貌可以判断，生成了回火索氏体。

因此，实验制定的热处理工艺能得到要求的显微组织，且硬度实验值也与手册符合得较好。

2.硬度测试数据

组别

硬度

1

2

3

4

平均

原始硬度

22

26

20

24

23

淬火后硬度

51

53

52

56

53

回火后硬度

23

26

31

27

28

表5.145号钢不同状态下硬度硬度单位：

HRC

组别

硬度

1

2

3

4

平均

原始硬度

35

38

40

37

35

淬火后硬度

65

62

63

60

62.5

回火后硬度

59

60

57

60

59

表5.2T8钢不同状态下硬度硬度单位：

HRC

3.淬火对试样性能的影响

（1）淬火温度的影响

45钢的淬火加热温度应在Ac3以上30～50℃，淬火温度选840℃可得细而均匀的奥氏体晶粒，淬火后获得细小的马氏体组织。

若在Ac3以上过高温度如1000℃加热，会使奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，脆性增大，硬度下降，粗晶马氏体的硬度反而比细晶马氏体的硬度高。

若在Ac1～Ac3之间的两相区加热，如770℃淬火后，高硬度的马氏体中混杂有低硬度的铁素体，造成硬度不足（见表5.2），力学性能降低。

（2）淬火介质的影响

常用淬火介质及其冷却能力如表5.2常用淬火介质及其冷却能力所示，可知水具有较大的冷却能力，但在低温区冷却速度太快，工件容易淬裂，另外水冷却能力对温度变化敏感，水温升高，冷却能力急剧下降。

油全程冷却速度均比水小，在低温区冷却速度合适，但在高温区冷却能力却很低。

淬火介质

冷却速度（℃/s）

在650~550℃区间

在300~200℃区间

水（18℃）

600

270

水（26℃）

500

270

水（50℃）

100

270

矿质机油

100

20

表5.3常用淬火介质及其冷却能力

碳钢的临界冷却速度大，一般采用冷却能力较强的淬火介质如水，才能得到全部为马氏体的显微组织。

若选用油作为淬火介质，由于其冷却速度小，冷却曲线会与CCT曲线“鼻尖”处相交，转变过程得到小部分屈氏体组织，因屈氏体沿原奥氏体晶界形核析出，并连成网状结构，室温下得到屈氏体网+马氏体显微组织，使强度降低，硬度明显下降（见表5.345钢不同回火温度与测量硬度值）。

4.回火对试样的影响

（1）回火温度对45钢组织的影响

钢经淬火后的室温组织是马氏体和残余奥氏体，都是亚稳相。

一旦进行加热，原子扩散能力加强，会自发向稳定相铁素体和渗碳体转变。

随回火温度升高，转变大致分为五个阶段：

①马氏体中碳原子的偏聚；②马氏体的分解；③残余奥氏体的转变；④碳化物的转变；⑤碳化物的聚集长大和α相回复、再结晶。

45钢在150～350℃低温回火，得到回火马氏体组织。

回火马氏体在光学显微镜下呈暗黑色条片状组织。

低温回火后，只是碳原子的偏聚，与淬火马氏体没有显着区别，但回火马氏体比淬火马氏体易受腐蚀，故显微组织比淬火马氏体颜色更黑。

在350～500℃中温回火后，得到回火屈氏体组织。

由于马氏体分解、过饱和固溶碳原子析出渗碳体，渗碳体聚集长大并球化，条状α相上分布着微细粒状渗碳体，但光学显微镜下难以分辨。

在500～650℃高温回火，得到回火索氏体组织。

这时α相发生再结晶，由等轴状铁素体逐步代替针状α相。

其显微组织是由细粒状渗碳体和等轴状铁素体所构成的复相组织，光学显微镜下能分辨出渗碳体颗粒。

若45钢在650℃～A1间回火，粒状渗碳体明显粗化，将得到粒状珠光体组织。

（2）回火温度对45钢硬度和强度的影响

组别

1

2

3

4

5

回火温度（℃）

200

300

400

500

600

45钢回火后硬度（HRC）

53.6

50.9

40.1

24.5

21.53

表5.445钢不同回火温度与测量硬度值

从表5.3不同回火温度与测量硬度值，淬火钢回火硬度随回火温度的升高而降低。

45钢在200℃以下回火，硬度下降缓慢，这是由于α固溶体析出大量的ε碳化物，增大塑性变形抗力，使硬度下降延缓。

200～300℃回火由于残余奥氏体分解为回火马氏体的硬化作用，硬度下降趋势平缓。

300℃以上回火，随着ε碳化物变为渗碳体，共格破坏以及渗碳体聚集长大，使硬度快速下降。

碳含量对钢的淬硬性的影响

（3）以45钢和T8钢为例分析碳含量对钢的淬硬性的影响。

原始硬度

淬火硬度

回火硬度

45钢

23

53

28

T8钢

35

62.5

59

表5.545钢和T8钢硬度

淬硬性是指钢在淬火后能够达到的最高硬度，主要与钢的含碳量有关。

本实验45钢和T8钢正常淬火得到细小马氏体组织后，测其硬度值分别为53HRC和62.5）HRC。

比较这两数据可知，随着钢的含碳量增加，淬硬性增强。

因为钢淬火得到的组织为马氏体，马氏体的硬度主要取决于含碳量，随碳含量的增加，马氏体的硬度增大，这主要是由于碳的固溶强化作用，另外，随碳含量的增加，马氏体转变点Ms和Mf都降低，促进了自回火现象的发生，使碳化物弥散析出产生时效强化。

因此，提高钢的含碳量能提高钢的淬硬性。

六、结论

根据所做实验及其结果可得以下结论：

1.淬火条件影响样品的组织和性能。

淬火温度及冷却速度（选择有效的冷却介质）适宜时，生成细小的马氏体组织，回火后强度高，塑性不差，力学性能较好。

淬火温度低，发生不完全淬火，组织为马氏体+铁素体组织，强度低，硬度也低，力学性能较差。

淬火温度较高时，形成粗大奥氏体，由于组织的遗传性，淬火后形成粗晶马氏体组织。

冷却速度过快，形成巨大内应力，可能发生淬裂现象。

冷却速度过慢，形成的马氏体不完全，有珠光体形成（珠光体，索氏体，屈氏体）。

2.回火温度影响样品的组织和性能。

根据回火温度分为低温回火，中温回火，高温回火（不同钢种，所对应的温度有差异，一般合金元素越多，温度越高）。

生产回火马氏体，回火屈氏体，回火索氏体。

回火马氏体晶粒最细小，硬度强度最高；回火屈氏体晶粒介于两者之间，硬度强度中等，根据资料显示具有极好的弹性；回火索氏体板条最粗大，强硬度最低，但具有较高的塑韧性。

3.碳元素影响样品的组织和性能。

碳原子能起到固溶强化作用，对马氏体形成来说，基体的强度硬度越大，马氏体越不易形成从而降低了Ms点。

同时，最终生成的淬火组织由于固溶强化作用增大了组织的强硬度。

七、参考文献

1.中国机械工程学会热处理学会。

热处理手册（第4版）。

第1卷，工艺基础。

北京:

机械工业出版社，2008。

2.中国计量科学研究院。

黑色金属硬度及强度换算值。

中华人民共和国国家标准。

GB/T1172-1999。