浅析如何避免45钢零件在使用中的常见问题

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摘 要：本文描述了45钢的化学成分、工作条件及性能特点，列举了45钢在使用过程中的问题案例，征对性地分析了问题原因，提出了防止这些问题的方法和措施，提高了45钢零件的使用可靠性；

关键词：45钢零件 常见问题 分析方法和措施

中图分类号：U465 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0086-01

1 45钢的化学成分、工作条件及性能特点

1.1 45钢化学成分

含碳（C）量是0.42%～0.50%；Si含量为 0.17%～0.37%；Mn含量0.50%～0.80%；Cr含量≤0.25%；Ni含量≤0.30%；Cu含量≤ 0.25%。

1.2 45钢工作条件及性能特点

45钢是一种优质碳索结构钢。可做结构件，还可做工具。通常将45钢经过淬火和高温回火处理后成为调质钢，属于典型的低淬透性中碳调质钢，调质处理后的组织为回火索氏体组织[1]。获得良好的综合机械性能。广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等许多机器设备上的重要零件。45钢经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。

2 目前45钢在使用过程中出现的问题

多年来人们在生产中不断积累45钢的生产与应用经验，但目前45钢在使用过程中存在着一些常见问题有待探讨解决。如：（1）某公司生产的轴类零件（45、直径15长度380、要求HRC40-50、跳动小于0.2、工艺为840、12 min，160度硝盐冷却）有时会发生不同批次的材料硬度不合格情况。（2）某公司使用45钢制作的轧尖机上轧辊在生产中造成数根轧辊淬火开裂，裂纹现象，部位是在轧辊的螺纹齿根部、用铁锤轻轻一敲，沿着螺纹齿边就敲掉一块。

3 探析45钢在使用过程中出现这些问题的原因及解决方案

（1）45钢轴类零件硬度不合格原因分析：淬火通常是作为调质钢最常用的热处理工艺，可以明显提高硬度。而淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。45钢属于低淬透性中碳调质钢不易淬透；主要因为45钢淬硬层深度仅为1～5 mm，除表层外得不到马氏体组织，同时传统的销轴类零件加工路线调质处理安排在粗加工前，调质处理件的加工余量2.5 mm，这样调质效果就被消除，因此调质处理要安排在粗加工之后；同时可以用淬火加低温回火替代调质处理，因为淬硬层200 ℃回火得到的是回火马氏体组织，其硬度、强度、耐磨性均比回火索氏体高许多，且表面产生了残余应力，提高了钢的疲劳强度；淬火加低温回火代替调质处理适用于加工余量不大的工件。

（2）造成轧辊淬火开裂的原因分析。

①淬火加热时过热；生产中淬火加热炉的炉温仪表长期不校检，仪表所指的温度比炉内实际温度大，已经过热，它使正常的细晶粒钢褪化，使钢开裂更加敏感。②淬火剂选择不当、冷却速度不均匀。淬火水槽内的淬火剂长期不更换，盐水成分已无法确定，造成各点处的冷却能力不一致。就无法保证钢件在冷却时得到马氏体。45钢的淬透性差，淬火冷却介质的冷却速度不仅要使工件的冷却速度大于钢的临界淬火速度，其冷却能力还要保证工件各点的冷却温度相一致。因表里各部位存在的温差过大的话，热胀冷缩不一致而产生热应力。另外，奥氏体转变产物的比容不同，会造成组织应力。热应力与组织应力的叠加在钢中产生内应力。为避免轧辊再次发生淬火开裂。采取了如下措施：轧辊经机械加工成型后，在400 ℃的箱式电阻炉中加热保温2h，目的是及时消除机械加工应力；同时对炉温仪表进行了重新校对，使实际淬火加热温度控制在（840±5）℃范围内，严防过热现象引起开裂；重新配制了淬火冷却盐水，并且采用了水、油混合冷却法，使轧辊的使用有了可靠性，增大其使用寿命。

（3）某煤矿用45钢制造的DZ型液压支柱的活塞开裂率高，为避免开裂率高的问题，采用试验方法探究避免开裂措施。

用45钢的主要化学成分（质量分数，%）为0.47C、0.31Si、0.67Mn、0.030S、0.031P、余量Fe，供货为热轧态。淬火温度和回火温度分别如下。

①740 ℃淬火，450 ℃回火；②800 ℃淬火，450 ℃回火；

③740 ℃淬火，500 ℃回火；④770 ℃淬火，500 ℃回火的试验。

淬火加热保温20 min、水冷；回火保温40 min、空冷。试验采用拉伸试样和硬度试块。拉伸试样为d0=10 mm、L0=5d0的短试样，硬度试块的尺寸为20 mm×25 mm。

试验过程中发现，在740 ℃～800 ℃范围内，随淬火温度升高，淬火组织中铁素体含量逐步减少，马氏体量增加，740 ℃淬火组织中有较多的铁素体，钢的强、硬度较低；当淬火温度达到800 ℃后，组织中的铁素体仅有2%～5%，其余全部为马氏体组织。淬火温度不同，组织中的铁素体含量发生变化，其分布形态也发生较大的改变。740 ℃淬火，铁素体的形态以块状为主。随淬火温度升高，块状铁素体减少。770 ℃淬火，铁素体的形态为网状分布于奥氏体晶界。800 ℃淬火，块状和网状铁素体基本消失，少量铁素体孤立分布于马氏体组织中。所以45钢经740～800 ℃淬火后，随淬火温度提高，其强度和硬度增加。低于770 ℃，淬火温度对其强度和硬度的影响显著；高于770 ℃，其影响减弱。800 ℃淬火后组织中虽有极少量的铁素体，但由于晶粒细化[2]，仍达到较高的强、硬度，力学性能接近于常规的840 ℃淬火。经不同温度回火，45钢强度和硬度随淬火温度变化的规律基本相同。回火温度越高，钢的强、硬度越低，这与马氏体组织的分解程度有关。所以降低淬火温度，采用亚温淬火法是防止该45钢淬火开裂的一种简单有效的方法。

4 结论

针对上述分析，为了避免45钢在使用过程中硬度不足和开裂现象。采取了以下措施：（1）轴类零件调质处理要安排在粗加工之后，用淬火加低温回火替代调质处理避免硬度不足。（2）零件经机械加工成型后及时消除机械加工应力。方法：在400 ℃的箱式电阻炉中加热保温2h。（3）选用适当的冷却介质；措施：高温区用水冷抑制过冷奥氏体的分解，低于40 ℃时转入油中缓冷以减小淬火应力，防止开裂；（4）降低淬火温度，采用780 ℃～800 ℃加热亚温淬火，防止过热造成开裂。

参考文献

[1] 崔忠圻.金属学与热处理原理[M].哈尔滨工业大学出版社，2000.

[2] 夏立芳.金属热处理工艺学[M].哈尔滨工业大学出版社.1998.

[3] 马鹏飞.热处理技术[M].化学工业出版社.2009.