調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼

　　調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼(quenched and tempered steel)是適合于淬火硬化和高溫(500～650℃)回火后使用的合金結(jié)構(gòu)鋼。簡稱調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼為低、中合金結(jié)構(gòu)鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、37SiMn2MoV、18Cr2Ni4w等。這類鋼在調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)狀態(tài)具有強度、塑性和韌性的良好配合，即具有良好的綜合力學(xué)性能。其使用狀態(tài)的顯微組織多為由再結(jié)晶后的細(xì)晶鐵素體基體和分布其內(nèi)的彌散粒狀碳化物組成的回火索氏體。常用于制造各種機械產(chǎn)品中要求良好綜合力學(xué)性能的各類重要部件，如機床主軸和汽車半軸等軸類件、連桿、高強度螺栓及高強度錨螺等。

　　化學(xué)成分設(shè)計

　　調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分設(shè)計主要考慮：

　　(1)元素對鋼的淬透性的影響

　　(決定鋼獲得淬硬層厚度的能力)因為調(diào)質(zhì)鋼要獲得良好綜合力學(xué)性能的回火索氏體組織，首先要獲得淬火馬氏體組織。若淬透性不足，鋼件淬火后就不能獲得足夠深度的淬硬層，在這種情況下即使回火后硬度合格，其他力學(xué)性能也將顯著下降。鋼件的尺寸和形狀不同、受力狀態(tài)不同，所要求的淬透性也不同。

　　(2)元素對強度的影響

　　調(diào)質(zhì)狀態(tài)下鋼的強化機制主要包括：鐵素體的固溶強化、細(xì)晶強化和碳化物相的彌散強化，鋼中合金元素主要通過這幾種機制影響調(diào)質(zhì)狀態(tài)鋼的強度。

　　(3)元素對韌性的影響

　　包括對基體韌性，對高溫回火脆性(第二類回火脆性)的誘發(fā)或抑制作用。

　　調(diào)質(zhì)鋼中碳含量的選擇同時考慮了其對淬透性、強度、韌性等多方面的影響，一般在0.25%～0.50%范圍內(nèi)。碳含量過低不易淬硬，強度偏低;過高則使韌性降低并影響可變形性等工藝性能。只有足夠高的碳含量才能保證調(diào)質(zhì)后鋼中有足夠體積的碳化物以保證彌散強化的效果。當(dāng)有其他保證淬透性和強度的合金元素存在時，調(diào)質(zhì)鋼中碳含量可適當(dāng)降低以獲得盡可能高的韌性(如18Cr2Ni4W)和改善焊接性(如用于制造可焊高強度鋼板的調(diào)質(zhì)鋼)。

　　調(diào)質(zhì)鋼中常見合金元素包括鉻、鎳、錳、硅、鉬、鎢、釩和硼等。其中鉻、錳、鎳、硅、硼等可以增大調(diào)質(zhì)鋼的淬透性，尤其當(dāng)復(fù)合加入時效果更好。硅、錳、鎳等固溶于鐵素體基體中，從而提高調(diào)質(zhì)后的鋼的硬度和強度。碳化物形成元素釩、鎢、鉬、鉻等能阻止高溫回火時碳化物的聚集長大，增強彌散強化的效果。鉬的主要作用在于抑制合金調(diào)質(zhì)鋼高溫回火時發(fā)生第二類回火脆性，多用于較大截面調(diào)質(zhì)件用鋼，其含量一般為0.15%～0.30%。加入微量釩(≤0.12%)可在鋼中形成彌散度很高的特殊化合物(如vN等)，在淬火加熱時有阻礙奧氏體晶粒長大的作用。鎳(<4.5%)和錳(<1.4%)有利于改善調(diào)質(zhì)狀態(tài)鋼的沖擊韌性，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度，尤其鎳的效果為最佳。鋼中加入微量稀土元素起細(xì)化晶粒、改變非金屬夾雜物形態(tài)、脫硫、脫氧、去氫及改善高溫回火脆性等作用，有利于改善調(diào)質(zhì)鋼韌性。強氮化物形成元素鋁主要用于氮化用調(diào)質(zhì)鋼(如38CrMoAlA)，加速氮化過程，獲得很高硬度的氮化層。

　　鋼中的雜質(zhì)，尤其是磷對調(diào)質(zhì)鋼的沖擊韌性危害甚大，故調(diào)質(zhì)鋼中含磷量應(yīng)盡可能低，一般應(yīng)小于或等于O.040%(優(yōu)質(zhì)鋼)或≤O.035%(高級優(yōu)質(zhì)鋼)，甚至更低。

　　熱處理

　　調(diào)質(zhì)處理即淬火加高溫回火，有些調(diào)質(zhì)件在調(diào)質(zhì)處理后還要進行表面淬火或氮化處理以提高表面硬度、耐磨性和疲勞強度等。

　　調(diào)質(zhì)鋼淬火的目的在于獲得足夠深度和數(shù)量的馬氏體組織(即“淬透”)，以保證高溫回火后，獲得良好的綜合力學(xué)性能。雖然淬透和未淬透的鋼高溫回火后可獲得類似的硬度、抗拉強度和延伸率，但前者的屈服強度、斷面收縮率和沖擊韌性要明顯高于后者。

　　調(diào)質(zhì)鋼淬火加熱溫度大都為820～900℃，具體溫度視鋼的成分而定。硼鋼的淬透性對淬火溫度的變化十分敏感，更應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定溫度淬火加熱。除淬透性偏低的調(diào)質(zhì)鋼要求水淬外，絕大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼均采用油作為淬火介質(zhì)，個別的可淬后空冷。

　　高溫回火用于消除淬火應(yīng)力、增加韌性和調(diào)整強度，是使調(diào)質(zhì)鋼綜合力學(xué)性能最后定型的最重要工序。

　　回火工藝選擇

　　主要應(yīng)考慮：

　　(1)通過調(diào)整回火溫度和時間以獲得所需要的最終性能;

　　(2)避免第二類回火脆性。

　　每一種調(diào)質(zhì)鋼淬成馬氏體后采用不同溫度回火至不同硬度后具有不同的強度和韌性。根據(jù)不同調(diào)質(zhì)件的具體技術(shù)要求，同一牌號可以選擇不同的回火溫度。應(yīng)當(dāng)注意到，同一種鋼調(diào)質(zhì)后的強度愈高，則其常溫沖擊韌性愈低，雖然處于低溫冷脆狀態(tài)時不同強度對應(yīng)的韌性趨于一致。

　　調(diào)質(zhì)鋼的一個特殊問題是高溫回火脆性(第二類回火脆性)問題，表現(xiàn)為某些鋼(如含錳鋼、含鉻鋼、高磷鋼，尤其是鉻-錳鋼、硅-錳鋼、鉻-鎳鋼、鎳-鉻-釩鋼等)高溫回火緩慢冷卻后的室溫沖擊韌性明顯低于快速冷卻的韌性，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，但在鋼的硬度、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率和伸長率等方面快冷和慢冷并無明顯差異。

　　調(diào)質(zhì)鋼最易發(fā)生高溫回火脆性的溫度范圍為450～600℃。在此溫度范圍以內(nèi)或以上回火后緩冷可導(dǎo)致鋼的脆化，但回火后快速冷卻(水冷或油冷)則可避免。

　　為避免發(fā)生或盡可能減輕高溫回火脆性，可采用如下措施：

　　(1)避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火;

　　(2)回火后采用油冷或水冷(快冷至脆化溫度區(qū)之下再緩冷亦無妨);

　　(3)無法采取上述措施的調(diào)質(zhì)鋼件應(yīng)采用含鉬鋼種，并盡可能降低鋼中磷、錫、銻、砷等雜質(zhì);

　　(4)利用第二類回火脆性的可逆性，將已感受高溫回火脆性的鋼重新加熱至脆化溫度區(qū)以上回火后快冷可使鋼恢復(fù)至韌性狀態(tài)。

　　將調(diào)質(zhì)鋼淬火后進行中溫回火，可獲得更高的強度和適當(dāng)?shù)乃苄浴㈨g性。

　　應(yīng)用

　　低淬透性調(diào)質(zhì)鋼(如40Cr、40MnB等)調(diào)質(zhì)后在沖擊韌性相當(dāng)時，其強度比調(diào)質(zhì)碳鋼的高，常用于制造承受中等負(fù)荷和中等速度工作條件下中等截面的機械零件，如汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸及機床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等。其中40Cr為最常用的一種調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，而40MnB、35SiMn、40MnVB等淬透性類同的鋼則常可代40Cr鋼使用。此類鋼一般油淬即可，油淬臨界直徑為30～40mm;少數(shù)牌號仍需水淬(如40Mn2)。

　　中等淬透性的調(diào)質(zhì)鋼，如35CrMo、40CrNi、40MnMoB和38CrMoAlA等，油淬臨界直徑達(dá)40～60mm，可用于制造截面較大及承受較重載荷的調(diào)質(zhì)鋼件。例如，35CrMo可用于制作高負(fù)荷下工作的重要結(jié)構(gòu)件，特別是受沖擊、震動、彎曲、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的部件，諸如高負(fù)荷傳動軸、發(fā)動機傳動部件、大電機軸、汽輪發(fā)電機主軸和轉(zhuǎn)子、軋鋼機人字齒輪、曲軸、連桿、緊固件等，或代40CrNi鋼制作大截面齒輪、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子、直徑小于500mm的支承軸等;38CrMoAlA為高級氮化鋼，主要用于具有高耐磨性、高疲勞強度和相當(dāng)高的強度、熱處理后尺寸精確的氮化件或各種受沖擊負(fù)荷不大而耐磨性要求較高的氮化件等。

　　高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，如40CrNiMoA、40CrMnMo、37SiMn2MoVA、18Cr2Ni4WA等，其油淬臨界直徑大于60～100mm，調(diào)質(zhì)后可獲得高強度和高韌性的良好配合(例如，調(diào)質(zhì)后40CrNiMo鋼的抗拉強度和室溫沖擊韌性可分別達(dá)1000MPa和100J/cm)，可用作要求韌性好、強度高及大尺寸的承受高負(fù)荷的重要調(diào)質(zhì)件，常用于中型或重型機械、機車和重載卡車的軸類、連桿、緊固件等。其中18Cr2Ni4WA鋼既是高級調(diào)質(zhì)鋼又是高級滲碳鋼，調(diào)質(zhì)態(tài)使用時用于制造承受重載荷和振動的高強度零件，或調(diào)質(zhì)后再經(jīng)氮化處理用作高速大功率發(fā)動機曲軸等重要部件。

　　選用調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼時應(yīng)按調(diào)質(zhì)件實際截面大小和所需的力學(xué)性能及鋼的淬透性選材。應(yīng)當(dāng)注意到，隨著工件尺寸增大，同一種鋼調(diào)質(zhì)后強度隨之降低，從而不能根據(jù)小尺寸試樣測定的力學(xué)性能指標(biāo)(如許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能指標(biāo))用于大尺寸零件的強度計算。

　　調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得良好的綜合力學(xué)性能，但亦有其不盡完美之處。例如，未能充分利用馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)強化作用和碳化物對鐵素體的彌散強化作用;要求較高碳含量以保證其調(diào)質(zhì)后強度;淬火和高溫回火兩次加熱耗能多、周期長，增加了熱處理變形和表面氧化脫碳等機會。從而，有時調(diào)質(zhì)鋼種并不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，而是經(jīng)淬火、低溫回火后使用。如40CrNiMoA鋼經(jīng)淬火低溫回火或等溫淬火后即可用作超高強度鋼，37SiMn2MoV鋼亦類似。另外，在某些特定用途中則有可能采用熱加工后不需熱處理或僅需正火的“非調(diào)質(zhì)鋼”或淬火一低溫回火的低碳馬氏體鋼替代調(diào)質(zhì)鋼，以簡化工藝、降低能耗和減少熱處理導(dǎo)致的缺陷。