調質鋼

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所謂調質鋼,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械性能,即在保持較高的強度的同時又具有很好的塑性和韌性,人們往往使用調制處理來達到這個目的,所以人們習慣上就把這一類鋼稱作調質鋼.。各類機器上的結構零件大量采用調質鋼，是結構鋼中使用最廣泛的一類鋼。

基礎信息

　　quenched and tempered steel
　　淬火成馬氏體后在500~650℃之間溫度范圍內回火的調質處理用鋼。
　　經(jīng)調質處理后，鋼的強度、塑性及韌性有良好的配合。
　　調質鋼的成分是含碳0.25％～0.5％碳素鋼或低合金鋼和中合金鋼，調質處理后的金相組織是回火索氏體。各類機器上的結構零件大量采用調質鋼，是結構鋼中使用最廣泛的一類鋼。應用最廣的調質鋼有鉻系調質鋼(如40Cr、40CrSi)、鉻錳系調質鋼 (如40CrMn)、鉻鎳系調質鋼(如40CrNiMo、 37CrNi3A)、含硼調質鋼等。

性能特點

化學組成

       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期的綜合性能。
　　熱處理工藝是在臨界點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。這種組織具有強度、塑性和韌性的良好配合。

質量要求

       除一般的冶金方面的低倍和高倍組織要求處，主要為鋼的力學性能以及與工作可靠性和壽命密切相關的冷脆性轉變溫度、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。由于調質鋼最終采用高溫回火，能使鋼中應力完全消除，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)調質鋼為中碳合金結構，屈服強度（σ0.2）在490-1200Mpa。以焊接性能為突出要求的調質鋼，為低碳合金結構鋼，屈服強度（σ0.2）一般為490-800Mpa，有很高的塑性和韌性。少數(shù)沉淀硬化型調質鋼，屈服強度（σ0.2）可到1400Mpa以上，屬高強度和超高強度調質鋼。

分類

　　常用的合金調質鋼按淬透性和強度分為4類：
　?、俚痛阃感哉{鋼；
　　②中淬透性調質鋼；
　?、圯^高淬透性調質鋼；
　?、芨叽阃感哉{質鋼。
        以下是兩種典型的調質鋼：

45調質鋼的工藝

　　45鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，所以應用廣泛。它的最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。
　 　45鋼淬火溫度在A3+(30~50) ℃，在實際操作中，一般是取上限的。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 間。如果實際裝爐量大，就需適當延長保溫時間。不然，可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時間過長，也會也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴重的弊 病，影響淬火質量。我們認為，如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定，加熱保溫時間需延長1/5。
　　因為45鋼淬透性低，故應采用冷卻速度大的10%鹽水 溶液。工件入水后，應該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因為當工件冷卻到180℃左右時，奧氏體迅速轉變?yōu)轳R氏體造成 過大的組織應力所致。因此，當淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗操作，當水中的工件抖動停止，即可出水空冷 （如能油冷更好）。另外，工件入水宜動不宜靜，應按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件，導致硬度不均勻，應力不均勻而使工件變 形大，甚至開裂。
　　45鋼調質件淬火后的硬度應該達到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，達不到調質的目的。
　 　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。因為調質的目的是得到綜合機械性能，所以硬度范圍比較寬。但圖 紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調整回火溫度，以保證硬度。如有些軸類零件要求強度高，硬度要求就高；而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調質后還要進行 銑、插加工，硬度要求就低些。關于回火保溫時間，視硬度要求和工件大小而定，我們認為，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時間關系不大，但必須回透，一 般工件回火保溫時間總在一小時以上。

合金調質鋼

用途

　　合金調質鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機、機床和其它機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。

性能要求

　　調質件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復雜，要求高的綜合機械性能，即具有高的強度和良好的塑性、韌性。合金調質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。

成分特點

　　(1) 中碳：碳質量分數(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，提高鋼的強度。如調質處理后的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的合金調質鋼，高溫回火慢冷時易產(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的質量分數(shù)為0.15%～0.30%，或W的質量分數(shù)為0.8%～1.2%。

力學性能

　　1． 合金元素對力學性能的影響
　　淬透性能相同的鋼調質到相同硬度時，抗拉強度基本相同，硬度與抗拉強度大致成直線關系。
　　各種成分的合金鋼調質到各種硬度值時，硬度值為400HB(抗拉強度約為 1400MPa)時，屈強比值最高，約為0．9，淬火狀態(tài)的組織對屈強比有很大影響。
　　調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，得到相同的抗拉強度和屈服強度。因此，在選擇合金元素時應優(yōu)先選擇增加淬透性能作用顯著而價格較低的元素，如硼、錳、鉻等。但是合金元素不同的鋼要調質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質到相同硬度時，抗拉強度和屈服強度雖基本相同，但是脆性破壞傾向差別很大，低溫沖擊試驗尤為明顯。成分不同的鋼調質后硬度與疲勞極限的關系不同。硬度在35HRC以下時疲勞極限和硬度成直線關系，疲勞極限的波動范圍為130MPa。硬度超過35HRC時，疲勞極限的波動范圍變寬。如硬度為55HRC時，疲勞極限的波動范圍達380MPa。
　　2． 調質零件硬度的確定
　　零件的淬透情況相同時，調質后的硬度即可反映零件的屈服強度與抗拉強度，因此零件圖紙和技術條件一般只規(guī)定硬度數(shù)值。只有很重要的零件才規(guī)定其他力學性能指標。
　　調質零件硬度的確定，必須考慮到制造工藝的要求和使用時的載荷條件。從制造工藝考慮，希望零件在毛坯狀態(tài)調質，而后進行切削加工和裝配。這樣零件熱處理時產(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，然后再進行調質處理，這時零件加熱時應防止脫碳和變形，有時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提高。
　　確定調質零件硬度時還必須考慮到生產(chǎn)的特點，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硬度范圍內，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，確定調質零件的硬度時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，抗拉強度、屈服強度和光滑樣品的疲勞強度都高，但是塑性指標降低，脆性破壞傾向和應力集中的敏感性增加，因此，當零件上有起應力集中作用的缺口 (花鍵、槽或斷面變化大)時，為使應力分布均勻、減少應力集中現(xiàn)象，這時較低的硬度反而可以獲得較高的疲勞性能。

應用

　　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，用于中小結構件、緊固件、傳動軸、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、中高等負荷但沖擊不大的齒輪、軸、轉軸、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，綜合機械性能高于碳鋼，與40Cr相當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、。調質性能和淬透性優(yōu)于40Cr，過熱傾向小，有回火脆性。常用來代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi制造重要的調質件，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，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%馬氏體計算，水淬直徑180，油淬直徑100；淬裂傾向、回火脆性傾向??；具有高強度和高韌性?？纱?5CrNiMoA、40CrNiMo，用于制造大截面、重負荷的軸、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；高的室溫機械性能和較高的高溫強度，良好的低溫沖擊；無回火脆性。用于制造截面較大的零件，高負荷的螺栓、齒輪及500℃以下的法蘭盤、螺栓；400℃以下的導管、緊固件。42CrMo淬透性較30CrMoA高，用于制造強度更高、截面更大的零件。
　　13、鉻錳鉬鋼：代表鋼種40CrMnMo。油淬直徑80mm，具有較高的綜合機械性能，回火穩(wěn)定性好。用于制造截面較大的重負荷齒輪及軸類零件。
　　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。強度、沖擊韌性高，有回火脆性。用于制造高壓鼓風機葉片、閥板、離合器摩擦片、軸及齒輪等。
　　16、鉻鎳鋼： 代表鋼種40CrNi和45CrNi。水淬達到40mm，油淬15-25mm；良好的綜合機械性能，良好的低溫沖擊韌性，回火脆性傾向小。 30CrNi3A淬透性較高，綜合機械性能好，有白點敏感性和回火脆性。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、形狀復雜的零件。
　　18、鉻鎳鉬釩鋼： 代表鋼種45CrNiMoVA。強度高，回火穩(wěn)定性好，油淬達到60mm（95%馬氏體）。用于制造振動載荷下的重型汽車彈性軸及扭力軸等。