预防45钢淬火裂纹

中国一拖装备公司(洛阳  471004) 田白玉

生产中发现用45钢制做小尺寸轴、销钉、螺栓、螺母、轴套等简单零件，在正常淬火温度(830～850)℃加热，于10%NaCl溶液中冷却，经常产生裂纹。理化分析结果表明钢材成分、组织及非金属夹杂物均符合技术要求。近年来，有些文献报道，45钢采用15%NaNO2水溶液(50℃～60℃)，30%～40%NaOH溶液(30℃～60℃)，25%NaNO3+20%NaNO2+20%KNO3溶液(密度1.4～1.45)冷却介质淬火，或采用180℃～200℃硝盐(55%KNO3+45%NaNO2)分级淬火，均能获得较高硬度，又可防止变形开裂。其不足之处是介质成分不稳定易老化，特别是在大批量工件淬火后，介质温度明显升高，冷却速度降低，导致淬火后工件硬度过低不合格。有人推荐，在760℃～770℃亚温淬火，可防止开裂。45钢的Ac3为780℃，在760℃～770℃加热、保温，得到奥氏体+铁素体组织。淬火后铁素体被保留，铁素体的强度最低(250MPa)，工件在服役中的破坏总是先从铁素体处开裂，所以铁素体的存在加剧了工件的断裂倾向。

为了寻找45钢小尺寸零件产生纵向裂纹的原因，以提高成品率，我们进行了试验与探索。

1  试验材料及内容

1.1 试验材料

采用20mm冷拔45钢，经正火处理。其化学成分w(%)为：0.47C，0.61Mn，0.30Si，0.030S，0.030P。

1.2 试验内容

采用11种不同直径，长度均为40mm的圆柱体试样各10件，在(840±10)℃加热保温后，于10%NaCl溶液中淬火。统计试样开裂件数及观察其金相组织(见表1)。用8mm×40mm圆柱体试样各10件和产品销子(8mm×60mm)在(780～790)℃加热后在5种不同预冷温度保温10min后淬入10%NaCl溶液。统计试样开裂件数、测量硬度及观察金相组织(见表2)。

2  试验结果分析及讨论

2.1 试样直径对淬火裂纹的影响

    从表1看出，45钢淬裂危险尺寸是(5～12)mm。其裂纹最敏感范围为8mm和9mm，而<5mm及>12mm者则未开裂。试样金相组织为板条状马氏体+细针状马氏体。淬火裂纹是由于马氏体相变时的应力、应变不均匀造成的。应力与钢的临界淬火直径(Do)、裂纹形状紧密相关。当试样直径<5mm，截面温差较小，产生的最大拉应力亦较小，试样不会产生裂纹。当直径>13mm，产生的最大拉应力将远离试样表面，也不会造成裂纹，当达到45钢临界淬火直径(5～12)mm时，由于组织(相变)应力和热应力的作用，产生的最大拉应力处于试样表面，而超过了材料的强度极限σb，就在试样表面产生纵向裂纹。淬火马氏体本身的脆性和马氏体转变应力(组织应力为主，热应力次之)是淬火裂纹产生的根源。

2.2 不同预冷温度对45钢组织及硬度的影响

由表2看出，降温至730℃、720℃，从过冷奥氏体中分别析出15%、30%的铁素体，淬火后组织为马氏体+铁素体，硬度为(49～53)HRC和(31～35)HRC;当温度降至680℃，过冷奥氏体中析出大量铁素体，使其碳浓度增加到共析成分，便发生共析转变为珠光体，硬度降至(16～19)HRC;而当温度降至750℃～760℃，并没有低于Ar3，淬火后为马氏体组织，硬度均在55HRC以上。

淬火马氏体的性能与淬火加热温度、淬火冷却时的温度密切相关。当淬火加热温度适当，奥氏体晶粒度愈细，淬火马氏体的组织亦愈细，此时脆性降低，强度提高。当过冷奥氏体的温度与冷却介质温度差愈小，则形成马氏体的应力亦愈小。另外，淬火冷却时，工件温度均匀，可减少淬火变形开裂倾向。根据45钢临界点Ac3(780℃)、Ar3(750℃)，采用较低温度780℃～790℃加热，以获得细小而均匀的奥氏体晶粒，然后随炉降至750℃～760℃保温10min，以使工件截面温度均匀一致，然后在10%NaCl溶液中冷却淬火，这种工艺的淬火马氏体组织性能、应力与830℃～850℃加热淬入10%NaCl溶液的原工艺相比，其开裂敏感性小。

3  结语

多年生产实践证明，用45钢制作直径为(5～12)mm易裂工件，均采取在780℃～790℃加热，保温一段时间后，随炉降温至750℃～760℃保温10min，立即出炉，于10%NaCl溶液中冷却淬火，未发现工件开裂。少量零件可采用单件预冷淬火。在780℃～790℃保持一定时间，出炉在空气中预冷至750℃左右(零件直径5mm～8mm停留3s，9mm～12mm停留4s～5s)，然后立即淬入10%NaCl溶液中，也不产生裂纹。