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(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)鋼在調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)狀態(tài)具有強(qiáng)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(jī)械產(chǎn)品中要求良好綜合力學(xué)性能的各類(lèi)重要部件，如機(jī)床主軸和汽車(chē)半軸等軸類(lèi)件、連桿、高強(qiáng)度螺栓及高強(qiáng)度錨螺等。

　　化學(xué)成分設(shè)計(jì)

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

　　(1)元素對(duì)鋼的淬透性的影響

　　(決定鋼獲得淬硬層厚度的能力)因?yàn)檎{(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(duì)強(qiáng)度的影響

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

　　(3)元素對(duì)韌性的影響

　　包括對(duì)基體韌性，對(duì)高溫回火脆性(第二類(lèi)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(shí)考慮了其對(duì)淬透性、強(qiáng)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(guò)低不易淬硬，強(qiáng)度偏低;過(guò)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(qiáng)化的效果。當(dāng)有其他保證淬透性和強(qiáng)度的合金元素存在時(shí)，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(qiáng)度鋼板的調(diào)質(zhì)鋼)。

　　調(diào)質(zhì)鋼中常見(jiàn)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(shí)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(qiáng)度。碳化物形成元素釩、鎢、鉬、鉻等能阻止高溫回火時(shí)碳化物的聚集長(zhǎng)大，增強(qiáng)彌散強(qiáng)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(shí)發(fā)生第二類(lèi)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(shí)有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)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(qiáng)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(guò)程，獲得很高硬度的氮化層。

　　鋼中的雜質(zhì)，尤其是磷對(duì)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(jí)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(jìn)行表面淬火或氮化處理以提高表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)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(lèi)似的硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，但前者的屈服強(qiáng)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(duì)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(gè)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(qiáng)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(guò)調(diào)整回火溫度和時(shí)間以獲得所需要的最終性能;

　　(2)避免第二類(lèi)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(qiáng)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(hào)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(qiáng)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(shí)不同強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的韌性趨于一致。

　　調(diào)質(zhì)鋼的一個(gè)特殊問(wèn)題是高溫回火脆性(第二類(lèi)回火脆性)問(wèn)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和伸長(zhǎng)率等方面快冷和慢冷并無(wú)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?xún)?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(wú)妨);

　　(3)無(wú)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(lèi)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(jìn)行中溫回火，可獲得更高的強(qiáng)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(shí)，其強(qiáng)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(jī)械零件，如汽車(chē)的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸及機(jī)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(lèi)同的鋼則常可代40Cr鋼使用。此類(lèi)鋼一般油淬即可，油淬臨界直徑為30～40mm;少數(shù)牌號(hào)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(dòng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的部件，諸如高負(fù)荷傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件、大電機(jī)軸、汽輪發(fā)電機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子、軋鋼機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子、直徑小于500mm的支承軸等;38CrMoAlA為高級(jí)氮化鋼，主要用于具有高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和相當(dāng)高的強(qiáng)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(qiáng)度和高韌性的良好配合(例如，調(diào)質(zhì)后40CrNiMo鋼的抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(jī)械、機(jī)車(chē)和重載卡車(chē)的軸類(lèi)、連桿、緊固件等。其中18Cr2Ni4WA鋼既是高級(jí)調(diào)質(zhì)鋼又是高級(jí)滲碳鋼，調(diào)質(zhì)態(tài)使用時(shí)用于制造承受重載荷和振動(dòng)的高強(qiáng)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(dòng)機(jī)曲軸等重要部件。

　　選用調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼時(shí)應(yīng)按調(diào)質(zhì)件實(shí)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(qiáng)度隨之降低，從而不能根據(jù)小尺寸試樣測(cè)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)化作用和碳化物對(duì)鐵素體的彌散強(qiáng)化作用;要求較高碳含量以保證其調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度;淬火和高溫回火兩次加熱耗能多、周期長(zhǎng)，增加了熱處理變形和表面氧化脫碳等機(jī)會(huì)。從而，有時(shí)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(qiáng)度鋼，37SiMn2MoV鋼亦類(lèi)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(jiǎn)化工藝、降低能耗和減少熱處理導(dǎo)致的缺陷。