調(diào)質(zhì)鋼

　　調(diào)質(zhì)鋼，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳鋼。一般用這類鋼制作的零件要求具有很好的綜合機(jī)械性能，即在保持較高的強(qiáng)度的同時(shí)又具有很好的塑性和韌性，人們往往使用調(diào)質(zhì)處理來達(dá)到這個(gè)目的，所以人們習(xí)慣上就把這一類鋼稱作調(diào)質(zhì)鋼。各類機(jī)器上的結(jié)構(gòu)零件大量采用調(diào)質(zhì)鋼，是結(jié)構(gòu)鋼中使用最廣泛的一類鋼。

　　鋼材介紹

　　調(diào)質(zhì)鋼指淬火成馬氏體后在500~650℃之間溫度范圍內(nèi)回火的調(diào)質(zhì)處理用鋼。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼的強(qiáng)度、塑性及韌性有良好的配合。

　　調(diào)質(zhì)鋼的成分是含碳0.25%~0.5%碳素鋼或低合金鋼和中合金鋼，調(diào)質(zhì)處理后的金相組織是回火索氏體。各類機(jī)器上的結(jié)構(gòu)零件大量采用調(diào)質(zhì)鋼，是結(jié)構(gòu)鋼中使用最廣泛的一類鋼。應(yīng)用最廣的調(diào)質(zhì)鋼有鉻系調(diào)質(zhì)鋼(如40Cr、40CrSi)、鉻錳系調(diào)質(zhì)鋼(如40CrMn，42CrMo)、鉻鎳系調(diào)質(zhì)鋼(如40CrNiMo、37CrNi3A)、含硼調(diào)質(zhì)鋼等。

　　性能特點(diǎn)

　　化學(xué)組成

　　碳含量0.3~0.5%，并含有一種或幾種合金元素，具有較低或中等的合金化程度。鋼中合金元素的作用主要是提高鋼的淬透性和保證零件在高溫回火后獲得預(yù)期的綜合性能。

　　熱處理工藝是在臨界點(diǎn)以上一定溫度加熱后淬火成馬氏體，并在500℃~650℃回火。熱處理后的金相組織是回火索氏體。這種組織具有強(qiáng)度、塑性和韌性的良好配合。

　　質(zhì)量要求

　　除一般的冶金方面的低倍和高倍組織要求外，主要為鋼的力學(xué)性能以及與工作可靠性和壽命密切相關(guān)的冷脆性轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性和疲勞抗力等。在特定條件下，還要求具有耐磨性、耐蝕性和一定的抗熱性。由于調(diào)質(zhì)鋼最終采用高溫回火，能使鋼中應(yīng)力完全消除，鋼的氫脆破壞傾向性小，缺口敏感性較低，脆性破壞抗力較大，但也存在特有的高溫回火脆性。

　　大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金結(jié)構(gòu)，屈服強(qiáng)度在490~1200Mpa。以焊接性能為突出要求的調(diào)質(zhì)鋼，為低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度一般為490~800Mpa，有很高的塑性和韌性。少數(shù)沉淀硬化型調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度可到1400Mpa以上，屬高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。

　　分類

　　常用的合金調(diào)質(zhì)鋼按淬透性和強(qiáng)度分為4類：

　?、俚痛阃感哉{(diào)質(zhì)鋼;

　　②中淬透性調(diào)質(zhì)鋼;

　?、圯^高淬透性調(diào)質(zhì)鋼;

　　④高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。

　　以下是兩種典型的調(diào)質(zhì)鋼：

　　45調(diào)質(zhì)鋼

　　45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。

　　偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時(shí)間。如果實(shí)際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時(shí)間。不然，可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時(shí)間過長，也會(huì)也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為，如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定，加熱保溫時(shí)間需延長1/5。

　　因?yàn)?5鋼淬透性低，故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后，應(yīng)該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因?yàn)楫?dāng)工件冷卻到180℃左右時(shí)，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗(yàn)操作，當(dāng)水中的工件抖動(dòng)停止，即可出水空冷(如能油冷更好)。另外，工件入水宜動(dòng)不宜靜，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運(yùn)動(dòng)。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。

　　45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC56~59，截面大的可能低些，但不能低于HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中，達(dá)不到調(diào)質(zhì)的目的。

　　45鋼淬火后的高溫回火，加熱溫度通常為560~600℃，硬度要求為HRC22~34。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機(jī)械性能，所以硬度范圍比較寬。但圖紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調(diào)整回火溫度，以保證硬度。如有些軸類零件要求強(qiáng)度高，硬度要求就高;而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調(diào)質(zhì)后還要進(jìn)行銑、插加工，硬度要求就低些。關(guān)于回火保溫時(shí)間，視硬度要求和工件大小而定，我們認(rèn)為，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時(shí)間關(guān)系不大，但必須回透，一般工件回火保溫時(shí)間總在一小時(shí)以上。

　　42CrMo調(diào)質(zhì)鋼

　　42CrMo常用于制造軸，螺栓等。

　　典型工藝路線：下料->鍛造->正火->機(jī)械加工(粗加工)->調(diào)質(zhì)->機(jī)械加工(精加工)->噴丸。鍛造后的正火是為了改善鍛造組織，細(xì)化晶粒，降低硬度以利于切削加工，并未調(diào)質(zhì)處理做組織準(zhǔn)備。

　　合金調(diào)質(zhì)鋼

　　1、用途

　　合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。

　　2、性能要求

　　調(diào)質(zhì)件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復(fù)雜，要求高的綜合機(jī)械性能，即具有高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。合金調(diào)質(zhì)鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。

　　3、成分特點(diǎn)

　　(1) 中碳：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.25%~0.50%之間，以0.4%居多;

　　(2) 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度。如調(diào)質(zhì)處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多;

　　(3) 加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷時(shí)易產(chǎn)生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%~0.30%，或W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%~1.2%。

　　力學(xué)性能

　　1、合金元素對力學(xué)性能的影響

　　淬透性能相同的鋼調(diào)質(zhì)到相同硬度時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本相同，硬度與抗拉強(qiáng)度大致成直線關(guān)系。

　　各種成分的合金鋼調(diào)質(zhì)到各種硬度值時(shí)，硬度值為400HB(抗拉強(qiáng)度約為1400MPa)時(shí)，屈強(qiáng)比值最高，約為0.9，淬火狀態(tài)的組織對屈強(qiáng)比有很大影響。

　　調(diào)整增加鋼材淬透性的合金元素的含量，可以得到相同的淬透性能，得到相同的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。因此，在選擇合金元素時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇增加淬透性能作用顯著而價(jià)格較低的元素，如硼、錳、鉻等。但是合金元素不同的鋼要調(diào)質(zhì)到相同的硬度所采用的回火溫度各不相同，即各種鋼的抗回火性能不同。

　　淬透性能相同的鋼調(diào)質(zhì)到相同硬度時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度雖基本相同，但是脆性破壞傾向差別很大，低溫沖擊試驗(yàn)尤為明顯。成分不同的鋼調(diào)質(zhì)后硬度與疲勞極限的關(guān)系不同。硬度在35HRC以下時(shí)疲勞極限和硬度成直線關(guān)系，疲勞極限的波動(dòng)范圍為130MPa。硬度超過35HRC時(shí)，疲勞極限的波動(dòng)范圍變寬。如硬度為55HRC時(shí)，疲勞極限的波動(dòng)范圍達(dá)380MPa。

　　2、調(diào)質(zhì)零件硬度的確定

　　零件的淬透情況相同時(shí)，調(diào)質(zhì)后的硬度即可反映零件的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，因此零件圖紙和技術(shù)條件一般只規(guī)定硬度數(shù)值。只有很重要的零件才規(guī)定其他力學(xué)性能指標(biāo)。

　　調(diào)質(zhì)零件硬度的確定，必須考慮到制造工藝的要求和使用時(shí)的載荷條件。從制造工藝考慮，希望零件在毛坯狀態(tài)調(diào)質(zhì)，而后進(jìn)行切削加工和裝配。這樣零件熱處理時(shí)產(chǎn)生的變形和脫碳在以后的切削加工中加以消除。但是采用這種制造程序的零件，其硬度不能過高，一般不超過300HB，個(gè)別的不超過350HB，否則對切削加工不利。要求硬度更高的零件(如有的汽車半軸要求硬度為341~415HB)，只能先切削加工，然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，這時(shí)零件加熱時(shí)應(yīng)防止脫碳和變形，有時(shí)熱處理后要增加校直工序。小批量或單件生產(chǎn)的零件，切削加工所允許的硬度可以適當(dāng)提高。

　　確定調(diào)質(zhì)零件硬度時(shí)還必須考慮到生產(chǎn)的特點(diǎn)，小批單件生產(chǎn)的產(chǎn)品，不同零件可以選定不同的硬度，大批量流水生產(chǎn)的工廠希望大部分零件的硬度范圍一致或固定在幾個(gè)硬度范圍內(nèi)，這對組織熱處理生產(chǎn)有很大的方便。

　　從零件使用角度考慮，確定調(diào)質(zhì)零件的硬度時(shí)要注意到零件的工作條件和零件的形狀。一般的講，硬度值高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和光滑樣品的疲勞強(qiáng)度都高，但是塑性指標(biāo)降低，脆性破壞傾向和應(yīng)力集中的敏感性增加，因此，當(dāng)零件上有起應(yīng)力集中作用的缺口時(shí)，為使應(yīng)力分布均勻、減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，這時(shí)較低的硬度反而可以獲得較高的疲勞性能。

　　金相檢驗(yàn)

　　原材料檢驗(yàn)

　　調(diào)質(zhì)工件在淬火前的理想組織應(yīng)為細(xì)小均勻的鐵素體加珠光體，這樣才能保證在正常淬火工藝下獲得良好的淬火組織—細(xì)小的馬氏體。

　　脫碳層檢驗(yàn)

　　鋼材在熱加工或熱處理時(shí)，表面因與爐氣作用而形成脫碳層。脫碳層的特征是表面鐵索體量相對心部要多或表面全部為鐵素體，從而使工件淬火后出現(xiàn)鐵素體或托氏體組織，回火后硬度不足，耐磨性和疲勞強(qiáng)度下降。因此，調(diào)質(zhì)工件淬火后不允許有超過加工余量的脫碳層。試樣的磨面必須垂直脫碳面，邊緣保持完整，不應(yīng)有倒角。試樣的侵蝕劑用硝酸酒精溶液[ (99~95 mL)工業(yè)酒精+(1~5 mL)硝酸( HNO3)]即可。脫碳層的具體測量方法可按GB/T 224-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

　　淬回火組織

　　調(diào)質(zhì)鋼正常淬火組織為板條狀馬氏體+少量針狀馬氏體。當(dāng)含碳量較低時(shí)，如30CrMo，淬火形態(tài)特征趨向于低碳馬氏體。當(dāng)含碳量較高，如50CrV，淬火形態(tài)特征趨向于高碳馬氏體。如果淬火加熱溫度過低或保溫不足，奧氏體未均勻化或淬火前預(yù)先熱處理不當(dāng)，未使原始組織變得細(xì)勻一致，導(dǎo)致工件淬、回火后的組織為回火索氏體和未溶的鐵素體。如果淬火加熱溫度正常，且保溫時(shí)間足夠，但冷卻速度不夠，以致不能淬透，結(jié)果沿工件截面各部位將得到不同的組織，即從表層至中心依次出現(xiàn)馬氏體、馬氏體和托氏體、托氏體和鐵素體等組織。

　　當(dāng)工件淬火溫度正常，保溫時(shí)間足夠，且冷卻速度也較大，過冷奧氏體在淬火過程中未發(fā)生分解，那么淬火后得到的組織應(yīng)是板條狀馬氏體和針片狀馬氏體。在隨后的高溫回火過程中，馬氏體中析出碳化物，最終得到的是均勻且彌散分布的回火索氏體。

　　應(yīng)用

　　1、中碳鋼：代表鋼種有30、35、40、45，也有ML30、ML35、ML40、ML45，有較穩(wěn)定的室溫性能，用于中小結(jié)構(gòu)件、緊固件、傳動(dòng)軸、齒輪等。

　　2、錳鋼：代表鋼種40Mn2、50Mn2。有過熱敏感性、高溫回火脆性，水淬易開裂，淬透性較碳鋼高。

　　3、硅錳鋼：代表鋼種35SiMn、42SiMn。疲勞強(qiáng)度高，有脫碳和過熱敏感性及回火脆性。用于制造中速、中高等負(fù)荷但沖擊不大的齒輪、軸、轉(zhuǎn)軸、連桿、蝸桿等，也可制造400℃以下緊固件。

　　4、硼鋼：代表鋼種40B、45B、50BA、ML35B。淬透性高，綜合機(jī)械性能高于碳鋼，與40Cr相當(dāng)用于制造截面尺寸不大的零件、緊固件等。

　　5、錳硼鋼：代表鋼種40MnB。淬透性稍高于40Cr，高的強(qiáng)度、韌性及低溫沖擊韌性，有回火脆性。40MnB常用來代替40Cr制造大截面零件，代替40CrNi制造小件;45MnB代替40Cr、45Cr;45Mn2B代替45Cr和部份代替40CrNi、45CrNi作重要的軸，也有ML35 MnB用于緊固件生產(chǎn)。

　　6、錳釩硼鋼： 代表鋼種20 MnVB 、40MnVB、。調(diào)質(zhì)性能和淬透性優(yōu)于40Cr，過熱傾向小，有回火脆性。常用來代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi制造重要的調(diào)質(zhì)件，也有用中小規(guī)格10.9級以下螺栓的、ML20 MnVB。

　　7、錳鎢硼鋼：代表鋼種40MnWB。良好的低溫沖擊性能，無回火脆性。與35CrMo、40CrNi相當(dāng)，用于制造70mm以下的零件。

　　8、硅錳鉬鎢鋼： 代表鋼種35SiMn2MoW。有較高的淬透性，以50%馬氏體計(jì)算，水淬直徑180，油淬直徑100;淬裂傾向、回火脆性傾向小;具有高強(qiáng)度和高韌性。可代替35CrNiMoA、40CrNiMo，用于制造大截面、重負(fù)荷的軸、連桿及螺栓。

　　9、硅錳鉬鎢釩鋼：代表鋼種37SiMn2MoWVA。水淬直徑100，油淬直徑70;良好的回火穩(wěn)定性、低溫沖擊韌性，較高的高溫強(qiáng)度，回火脆性也較小，用于制造大截面的軸類零件。

　　10、鉻鋼： 以40Cr及ML40Cr為代表。淬透性較好，水淬28-60mm，油淬15-40mm。較高的綜合機(jī)械性能，良好的低溫沖擊韌性，低的缺口敏感性，有回火脆性。用于制造軸、連桿、齒輪及螺栓。

　　11、鉻硅鋼： 代表鋼種38CrSi。淬透性優(yōu)于40Cr，強(qiáng)度和低溫沖擊較高，回火穩(wěn)定性較好，回火脆性傾向較大。常用于制造30-40mm的軸、螺栓以及模數(shù)不大的齒輪。

　　12、鉻鉬鋼：代表鋼種30CrMoA、42CrMo、ML30CrMo、ML42CrMo。水淬30-55mm，油淬15-40mm;高的室溫機(jī)械性能和較高的高溫強(qiáng)度，良好的低溫沖擊;無回火脆性。用于制造截面較大的零件，高負(fù)荷的螺栓、齒輪及500℃以下的法蘭盤、螺栓;400℃以下的導(dǎo)管、緊固件。42CrMo淬透性較30CrMoA高，用于制造強(qiáng)度更高、截面更大的零件。

　　13、鉻錳鉬鋼：代表鋼種40CrMnMo。油淬直徑80mm，具有較高的綜合機(jī)械性能，回火穩(wěn)定性好。用于制造截面較大的重負(fù)荷齒輪及軸類零件。

　　14、錳鉬釩鋼：代表鋼種30Mn2MoWA。具有良好的淬透性：水淬達(dá)到150mm，心部組織為上、下貝氏體加少量馬氏體;油淬70mm，心部95%以上的馬氏體;良好的低溫沖擊韌性，低的缺口敏感性及較高的疲勞強(qiáng)度。用于制造80mm以下的重要件。

　　15、鉻錳硅鋼：代表鋼種30CrMnSiA。水淬40~60mm(95%的馬氏體)，油淬25~40mm。強(qiáng)度、沖擊韌性高，有回火脆性。用于制造高壓鼓風(fēng)機(jī)葉片、閥板、離合器摩擦片、軸及齒輪等。

　　16、鉻鎳鋼： 代表鋼種40CrNi和45CrNi。水淬達(dá)到40mm，油淬15~25mm;良好的綜合機(jī)械性能，良好的低溫沖擊韌性，回火脆性傾向小。30CrNi3A淬透性較高，綜合機(jī)械性能好，有白點(diǎn)敏感性和回火脆性。用于制造截面較大的曲軸、連桿、齒輪、軸及螺栓等。

　　17、鉻鎳鉬鋼：代表鋼種40CrNiMoA。具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，低溫沖擊韌性高，缺口敏感性低，無回火脆性。用于制造較大的曲軸、軸、連桿、齒輪、螺栓及其它受力較大、形狀復(fù)雜的零件。

　　18、鉻鎳鉬釩鋼： 代表鋼種45CrNiMoVA。強(qiáng)度高，回火穩(wěn)定性好，油淬達(dá)到60mm(95%馬氏體)。用于制造振動(dòng)載荷下的重型汽車彈性軸及扭力軸等。