緊固件（螺栓）熱處理工藝研究 

緊固件在市場(chǎng)上也稱為標(biāo)準(zhǔn)件，是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件（或構(gòu)件）緊固連接成為一見(jiàn)整體時(shí)所采用的一類機(jī)械零件的總稱。在各種機(jī)械、設(shè)備、車輛、船舶、鐵路、橋梁、建筑、結(jié)構(gòu)、工具、儀器、儀表和用品等上面，都可以看到各式各樣的緊固件。它的特點(diǎn)是品種規(guī)格繁多，性能用途各異，而且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的種度也極高。作為結(jié)構(gòu)材料使用，它的性能在很高的層面上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此其性能的提升具有重要的意義。本論文主要研究的是緊固件螺栓的熱處理工藝。

無(wú)論緊固件的組織性能還是力學(xué)性能都與熱處理工藝有關(guān)，緊固件性能的關(guān)鍵在于熱處理工藝，熱處理對(duì)緊固件的影響很大。通過(guò)熱處理可以使緊固件獲得良好的綜合性能。

關(guān)鍵詞：緊固件，螺栓，熱處理，45鋼，調(diào)質(zhì)，淬火，回火

第一部分：緊固件的研究現(xiàn)狀

第二部分：原材料的選擇

第三部分：加熱設(shè)備的選擇

第四部分：熱處理工藝

第五部分：熱處理后效果分析

一、緊固件的研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)制造業(yè)發(fā)展，緊固件產(chǎn)業(yè)作為制造業(yè)生產(chǎn)鏈上不可或缺的基礎(chǔ)件。整體來(lái)看，我國(guó)緊固件生產(chǎn)專用設(shè)備與先進(jìn)工業(yè)國(guó)的專用設(shè)備相比，無(wú)論是設(shè)備的制造精度，結(jié)構(gòu)的先進(jìn)程度，工藝的適用范圍，構(gòu)建的材質(zhì)選擇，制造和更新速度，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等方面人有相當(dāng)大的差距，高強(qiáng)度緊固件不僅要滿足產(chǎn)品的力學(xué)性能，而且要滿足裝配的工藝要求，對(duì)生產(chǎn)裝配過(guò)程中嚴(yán)格控制扭矩，螺栓嚴(yán)格控制摩擦系數(shù)保證軸向力這方面的研究還相當(dāng)薄弱，任重而道遠(yuǎn)。

（1）原材料的選擇，主要是根據(jù)螺栓的性能要求選擇合適的原材料。

（2）觀察原材料的組織，磨制金相，分析材料組織。

（3）最終熱處理工藝。主要從原材料的性能和相圖出發(fā)確定熱處理方法。

（4）檢驗(yàn)試樣的性能，測(cè)試樣的硬度。

（5）觀察熱處理后的組織，磨制金相，分析組織結(jié)構(gòu)。

二、原材料的選擇

1、選用聯(lián)接件和聯(lián)接件的材料

選用聯(lián)接件和聯(lián)接件的材料是一項(xiàng)非常重要的工作，因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)器的損壞，毛病都是出現(xiàn)在聯(lián)接的地方，尤其是某些場(chǎng)合中，聯(lián)接件往往起著非常重要的作用，如果聯(lián)接件在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中一旦遭到破壞，就會(huì)造成不堪設(shè)想的嚴(yán)重事故。所以對(duì)與設(shè)計(jì)和選用聯(lián)接件（包括材料）既要經(jīng)濟(jì)，同時(shí)又要按照工作條件的要求，具有足夠的強(qiáng)度、剛度及緊密性，不可忽視。

2、 螺栓聯(lián)接的特點(diǎn)

螺栓聯(lián)接的特點(diǎn)是螺栓貫穿兩個(gè)或兩個(gè)以上被聯(lián)接件的通孔，在其另一端擰上螺釘、母；這種聯(lián)接由于無(wú)需在被聯(lián)接件上切制螺紋，構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝拆方便，而且他的使用不受被聯(lián)接材料的限制，所以應(yīng)用最廣。按加工的不同，螺栓可分為粗制和精制兩種；精制的用于重要的、裝配精度高的、以及承受較大沖擊，震動(dòng)或變載荷的地方。按頭部形狀及用途的不同，又可分為：六角頭螺栓、方頭螺栓、沉頭螺栓、半圓頭螺栓、T型槽用螺栓、鉸鏈用活節(jié)螺栓和地腳螺栓等多種形式，其中以六角頭螺栓應(yīng)用最為廣泛。

3、 螺栓受載及主要損壞形式

螺栓是螺紋緊固件中主要的受力零件，它在工作過(guò)程中受載情況和主要損壞形式，主要有以下三種類型：

（1）受拉螺栓連接：這類螺栓在工作，中主要承受拉伸力（間或有彎曲應(yīng)力），同時(shí)由于其形狀上的特點(diǎn)（存在螺紋），零件內(nèi)部往往存在應(yīng)力集中傾向；故其損壞形式，在靜載荷下多為螺紋部分的塑性變形和斷裂，在變載荷作用下則多為螺桿部分的疲勞斷裂（主要發(fā)生在有應(yīng)力集中處的螺紋部分），如果螺紋精度低或聯(lián)接經(jīng)常裝拆，則螺紋牙的滑扣現(xiàn)象也用可能發(fā)生。

（2）受剪螺栓聯(lián)接：這類螺栓在工作中主要承受剪切應(yīng)力，并與被聯(lián)接件孔壁互壓，此外栓桿還承受一定的彎曲應(yīng)力（但在個(gè)結(jié)合面切緊情況下可不考慮），聯(lián)接的可能損壞形式有：螺栓被剪斷，栓桿和孔壁中弱者被壓潰，如螺栓兼做銷軸并與孔壁相對(duì)滑動(dòng)，則為弱者被磨損。

（3）受拉、受剪螺栓聯(lián)接：這種聯(lián)接大多都是擰緊的，在拉伸力和剪切復(fù)合力的作用下，其可能發(fā)生的損壞形式是：螺栓在抗剪面處斷裂，螺紋部分?jǐn)嗔岩约八�桿和孔壁中的弱者被壓潰。

4、 螺栓材料的性能要求

材料的性能要求：

（1）應(yīng)該有足夠強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度以及適當(dāng)?shù)挠捕龋�以保證其在正常工作條件下。不致遭到破壞。

（2）應(yīng)該有良好的塑性和可切削加工性，以便于進(jìn)行冷鐓和切削加工。

 對(duì)于重要的高強(qiáng)度螺栓，則要求材料應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度、韌性和良好的淬透性、低的缺口敏感度以及較高的抗彎強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，以免產(chǎn)生松弛現(xiàn)象和過(guò)早失效。

對(duì)于高溫螺紋緊固件，要求材料具有高的抗松弛型、足夠的強(qiáng)度、低的缺口敏感度，一定的高溫持久強(qiáng)度，小的蠕變脆化傾向和良好的抗氧化性。

對(duì)于低溫緊固件，當(dāng)工作溫度低于某一臨界值時(shí)，材料本身的韌性便會(huì)急劇下降，極易產(chǎn)生脆斷；所以，要求材料應(yīng)有較好的低溫脆性。

對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中工作的螺紋緊固件，則要求材料應(yīng)有良好的耐腐蝕性。

  材料的選用

根據(jù)材料的性能要求選擇合適的材料，現(xiàn)在制造螺栓常用的原材料主要有35鋼、45鋼、40Cr等。分別對(duì)它們進(jìn)行分析：

35鋼：（1）化學(xué)成分：含碳量C%=0.32～0.40%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含錳量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：含碳量較高，已不適于滲碳，鋼的硬度、強(qiáng)度均較高，且有較好的塑性，切削性好，焊接性中等，淬透性仍低，一般在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用；機(jī)械性能要求不高時(shí)也可以在熱軋供應(yīng)狀態(tài)下使用。

（3）用途：用作截面較小，受力較大的機(jī)械零件，如：螺釘、絲桿、拉桿、齒輪等，以及在自動(dòng)機(jī)床上加工的緊固件，但不用作焊接件。

（4）機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度σ_b=540N/mm²，屈服極限σ_s=320N/mm²，彎曲疲勞極限σ_-1=220～300N/mm²，抗壓疲勞極限σ_-1I=170～220N/mm²。

45鋼：（1）化學(xué)成分：含碳量C%=0.42～0.50%，含硅量Si%=i0.17～0.37%，含錳量Mn%=0.50～0.80%，含磷量P%≤0.040%，含硫量S%≤0.04%。

（2）主要特征：45鋼是應(yīng)用最廣的一種鋼，為高強(qiáng)度中碳鋼。其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高，塑性及韌性尚好，切削性優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能獲得較好的綜合力學(xué)性能，無(wú)回火脆性；但焊接性能不還，淬透性較低，水淬是且有裂紋形成傾向。當(dāng)直徑較大時(shí)（60～80mm），調(diào)質(zhì)狀態(tài)和正火狀態(tài)的機(jī)械性能相近，因此，大截面零件常以正火作為最終熱處理。

（3）用途：一般在正火或調(diào)質(zhì)，或高頻表面淬火狀態(tài)下使用，用于制作承受負(fù)荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火零件以及對(duì)心部強(qiáng)度要求不高的表面淬火件。一般不做焊接件，如需焊接，則焊接前需進(jìn)行預(yù)熱，焊后要進(jìn)行消除焊接應(yīng)力退火處理。

（4）機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度σ_b=610N/mm²，屈服極限σ_s=360N/mm²，彎曲疲勞極限σ_-1=250～340N/mm²，抗壓疲勞極限σ_-1I=190～250N/mm²。

40Cr：（1）化學(xué)成分：含碳量C%=0.32～0.44%，含硅量Si%=0.17～0.37%，含鉻量Cr%=0.80～1.10%。

（2）用途：一種最常用的合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，用于制造承受中等負(fù)荷和中等速度工作條件下的機(jī)械零件，如汽車的轉(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，也可經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制作具有高的表面硬度及耐磨性而無(wú)很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿螺釘、進(jìn)氣閥等。也可經(jīng)淬火，中溫或低溫回火，制造承受重負(fù)荷的零件，又適于制造進(jìn)行碳氮共滲處理的各種傳動(dòng)零件，如直徑較大和要求低溫韌性好的齒輪和軸。

（3）機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度σ_b=750～1000N/mm²，屈服極限σ_s=650～900 N/mm²；疲勞極限：彎曲σ_-1=320～440N/mm²，抗壓σ_-1I=240～340N/mm²。

綜合比較，最終選擇45鋼，因?yàn)?5鋼是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的一種鋼，為高強(qiáng)度中碳鋼。強(qiáng)度較高，塑性及韌性尚好，切削性優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能獲得較好的綜合力學(xué)性能，無(wú)回火脆性。它的使用性能可以滿足產(chǎn)品零件工作條件的要求，工藝性能適應(yīng)產(chǎn)品零件的加工要求，且從經(jīng)濟(jì)角度考慮，45鋼的成本較40Cr低。因此最終選擇45鋼作為原材料。

三、熱處理加熱設(shè)備的選擇

1、  熱處理設(shè)備概論

在機(jī)械制造過(guò)程中熱處理占重要地位，它對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高機(jī)器工作效能和延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命都起著重要的作用，任何一種熱處理工藝，只有通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。

目前，熱處理設(shè)備的種類已十分繁多，根據(jù)它們?cè)跓崽幚砩�產(chǎn)過(guò)程中所完成的任務(wù)，通常將熱處理設(shè)備分為主要設(shè)備和輔助設(shè)備兩大類。威力增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件，推行流水生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)，又組合成了許多綜合熱處理設(shè)備——熱處理聯(lián)合機(jī)。

主要設(shè)備是完成主要熱處理工序所用的設(shè)備，包括加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備。這類設(shè)備對(duì)熱處理效果和產(chǎn)品質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用，兩者之間又以加熱設(shè)備為主要，包括各種熱處理爐和加熱設(shè)備。

輔助設(shè)備是完成各種輔助工序及主要工序中的輔助動(dòng)作所用的設(shè)備及各種工夾具。主要包括清洗設(shè)備、校正設(shè)備、起重運(yùn)輸設(shè)備、控制氣氛設(shè)備及各種工夾具等。

熱處理爐是最主要的熱處理設(shè)備。為了便于選擇使用和分析比較，常依一下幾種特征進(jìn)行分類：

（1）按熱能來(lái)源分類：電阻爐、燃燒爐。

（2）按工作溫度分類：低溫爐（≤650℃）、中溫爐（650～1000℃）、高溫爐（>1000℃）。

（3）按爐膛介質(zhì)分類：自然介質(zhì)爐、浴爐、可控氣氛爐、真空爐。

（4）按作業(yè)規(guī)程分類：周期作業(yè)爐、連續(xù)作業(yè)爐。

2、 電阻爐的選擇

熱處理電阻爐的基本工作原理，是電流通過(guò)電熱元件是由于電流的熱效應(yīng)而產(chǎn)生熱能，借輻射或?qū)α髯饔茫瑢�熱量傳至加熱工件表面，使工件加熱。熱處理電阻爐又可分為箱式電阻爐和井式電阻爐。

熱處理燃燒爐的基本工作原理：是通過(guò)燃料在燃燒室燃燒后，進(jìn)入爐膛內(nèi)，借輻射、對(duì)流或傳導(dǎo)的作用加熱工件。熱處理燃燒爐可分為：固體燃燒爐、液體燃燒爐和氣體燃燒爐。

熱處理電阻爐與燃料爐相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作方便、爐溫分布均勻以及溫度控制準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在熱處理生產(chǎn)上得到了十分廣泛的應(yīng)用。因此選用電阻爐，又因?yàn)榧訜嵝⌒土慵�，所以最終選用中溫箱式電阻爐作為此次的熱處理設(shè)備。

四、熱處理工藝

1、原始組織

45鋼試樣的市場(chǎng)供應(yīng)狀態(tài)為熱軋狀態(tài)，就相當(dāng)于45鋼的正火處理。將該試樣在砂輪機(jī)和砂紙上進(jìn)行打磨，根據(jù)砂紙粒度的不同從粗到細(xì)依次打磨，打磨的時(shí)候用力要均勻，換砂紙的標(biāo)準(zhǔn)是試樣上的劃痕全為一個(gè)方向，試樣在砂紙上打磨好后，在拋光機(jī)上拋光，拋光完成后用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-1所示。

圖2-1

試樣：45鋼

狀態(tài)：正火狀態(tài)

放大倍數(shù)：500倍

腐蝕劑：4%硝酸酒精

組織：鐵素體+珠光體

硬度：13HRC

說(shuō)明：白色塊狀物為鐵素體，黑色的層片狀組織為珠光體

2、45鋼的淬火

鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。

鋼的淬火是熱處理工藝中最重要的也是再?gòu)V泛的工序。淬火可以大幅度提高鋼的強(qiáng)度與硬度，淬火后為了消除淬火鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力，得到不同強(qiáng)度、硬度與韌度的配合，需要配以不同溫度的回火，所以淬火和回火是不可分割的、緊密聯(lián)系的兩種熱處理工藝。

下面主要討論鋼的淬火情況：

淬火溫度：45鋼為亞共析鋼，淬火溫度應(yīng)該為Ac3+（30～50℃），最終取加熱溫度為840℃。

淬火加熱時(shí)間：根據(jù)淬火加熱時(shí)間經(jīng)驗(yàn)公式可得τ=α*κ*D（單位為分鐘）。

α為加熱系數(shù)，試樣為碳鋼，在800～900℃箱式爐中加熱，直徑小于50mm，所以α取1.0～1.2。κ為裝爐量修正系數(shù)，根據(jù)裝爐量κ取1.0。D為工件的有效厚度，圓柱體試樣的有效厚度取工件直徑， 所以D取8mm。

綜上所述τ=α*κ*D=1.2*1.0*8=9.6分鐘≈10分鐘。

淬火介質(zhì)：冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它關(guān)系到淬火質(zhì)量的好壞，同時(shí)冷卻也是淬火當(dāng)中最容易出問(wèn)題的的一道工序。淬火技術(shù)的高低，主要以冷卻操作的優(yōu)劣來(lái)體現(xiàn)。

一般的淬火都需要快速冷卻�？焖倮鋮s是為了防止過(guò)冷奧氏體在Ms點(diǎn)以上發(fā)生任何分解。根據(jù)連續(xù)冷卻C曲線可知，過(guò)冷奧氏體在大約650～400℃之間分解最快，因此，只需要在這一溫度區(qū)間內(nèi)快冷，而在這以上和以下的溫度區(qū)間內(nèi)，并不要求快冷。在Ms點(diǎn)以下反而希望冷卻緩慢些，以防止淬火變形和開裂。所以，鋼在淬火時(shí)，最理想的冷卻方式，就是對(duì)冷卻介質(zhì)的要求。

根據(jù)淬火介質(zhì)的冷卻特性，可分為兩大類：第一類、各種水質(zhì)淬火劑和油質(zhì)淬火劑；冷卻曲線是先慢后快又變慢。第二類、各種低溫鹽浴、堿浴、金屬浴等；當(dāng)工件淬入這類介質(zhì)后，由于工件和介質(zhì)間溫差很大，很快達(dá)到最高的冷卻速度，而隨著溫差的減小，冷卻速度及迅速減小。

由45鋼的性能特征可知：45鋼強(qiáng)度較高，塑性及韌性尚好，切削性優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能獲得較好的綜合力學(xué)性能，無(wú)回火脆性；但焊接性能不還，淬透性較低，水淬是且有裂紋形成傾向。水淬和有淬相比：油的冷卻能力比水小，但有的冷卻特性比水好的多。所以最終選擇油做淬火介質(zhì)。

淬火方式：鋼的淬火方式有4種，單液淬火、雙液淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火等，選擇單液淬火。

將熱處理爐加熱到840℃，把試樣放入爐中，保溫10分鐘，取出油淬。再對(duì)淬完火的試樣，經(jīng)打磨、拋光，并用4%的硝酸酒精腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-2所示。

圖2-2

試樣：45鋼

狀態(tài)：840℃淬火狀態(tài)

放大倍數(shù)：500倍

冷卻介質(zhì)：油

腐蝕劑：4%硝酸酒精

加熱設(shè)備：中溫箱式電阻爐

組織：鐵素體+托氏體+馬氏體

硬度：25HRC

說(shuō)明：白色塊狀物為鐵素體，托氏體是極細(xì)珠光體，易侵蝕成黑色團(tuán)絮狀，以及灰白色塊狀馬氏體。

3、   45鋼的回火

將淬火后的工件加熱到低于（A1）臨界溫度的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)睦鋮s方式冷至室溫的工藝，即為回火�；鼗鹗蔷o接淬火的一道熱處理工序。除某些特殊情況外，鋼在淬火以后都要進(jìn)行回火�；鼗饹Q定著鋼在使用狀態(tài)的組織和性能，因此，回火是很關(guān)鍵的工序�；鼗鸩蛔氵�可以再次回火，但一旦回火過(guò)度，就使前功盡棄，必須重新淬火才可以。

在生產(chǎn)中實(shí)際采用的回火有4種：

低溫回火（150～250℃），得到回火馬氏體組織，工件硬度高，耐磨性好，疲勞抗力大。多用于刃具、量具、冷沖模具、滾動(dòng)軸承、精密偶件以及超高強(qiáng)度鋼構(gòu)件。

中溫回火（350～500℃），得到回火屈氏體組織，屈強(qiáng)比（σ_s/σ_b）高，彈性好。多用于各種彈簧的熱處理。

高溫回火（500～650℃），得到回火索氏體組織，強(qiáng)度和韌性的綜合性能高。多用于軸類、連桿、連接件等。調(diào)質(zhì)處理即為淬火加高溫回火。

45鋼是應(yīng)用最廣的一種鋼，為高強(qiáng)度中碳鋼。其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高，塑性及韌性尚好，切削性優(yōu)良，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后能獲得較好的綜合力學(xué)性能，無(wú)回火脆性。所以進(jìn)行高溫回火。

回火溫度：因?yàn)槭钦{(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），所以選擇高溫回火，溫度范圍為500～650℃之間，最終確定600℃回火。

回火時(shí)間：根據(jù)回火保溫時(shí)間參數(shù)表，回火類型為高溫回火，加熱爐為空氣爐，工件有效厚度<25mm，所以最終選擇保溫時(shí)間τ=50分鐘。

回火冷卻：因?yàn)椴挥脫?dān)心工件開裂，和第二類回火脆，所以選擇空冷。

將熱處理爐加熱到600℃，把試樣放入爐中，保溫50分鐘，取出空冷。對(duì)試樣打磨、拋光，并用4%的硝酸酒精腐蝕，觀察組織。所得到的室溫金相組織形貌圖如圖2-3所示。

圖2-3

試樣：45鋼

狀態(tài)：600℃高溫回火

放大倍數(shù)：500倍

冷卻介質(zhì)：空氣

加熱設(shè)備：高溫電阻爐

腐蝕劑：4%硝酸酒精

組織：回火索氏體

硬度：20HRC

說(shuō)明：鐵素體與粒狀碳化物的混合物

五、熱處理后結(jié)果分析

    我們知道隨著45鋼熱處理方式的不同，熱處理后的組織和性能具有很大的差異，現(xiàn)在我們主要分析熱處理后組織性能。

1、金相組織分析依據(jù)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)于鋼的熱處理知識(shí)，我們研究的越來(lái)越深，從前人的研究成果中我們知道為使鋼件經(jīng)熱處理后能獲得所要求的組織和性能，大多數(shù)的熱處理工藝都需要先將鋼件加熱至臨界點(diǎn)以上，使之轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，及奧氏體化，然后再以一定的方式冷卻使之轉(zhuǎn)變?yōu)樗�需的組織。鋼加熱時(shí)形成的奧氏體組織形態(tài)對(duì)熱處理后的組織和性能有很大的影響。因此加熱轉(zhuǎn)變是鋼進(jìn)行各種熱處理的基礎(chǔ)。

珠光體是鋼鐵材料熱處理過(guò)程中出現(xiàn)的另一種重要組織。珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生在過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)，又稱為高溫轉(zhuǎn)變，屬于擴(kuò)散型相變。鋼鐵材料在退火和正火中都要求發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而淬火時(shí)則力求避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。

我們知道碳在鋼鐵中可以有四種形式存在：碳原子溶于α—Fe形成的固溶體，稱為鐵素體；碳原子溶于γ—Fe形成的固溶體，稱為奧氏體；碳原子與Fe原子形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物Fe₃C，稱為滲碳體；或者是游離態(tài)的石墨，其中Fe₃C是亞穩(wěn)態(tài)，一定條件下會(huì)分解為鐵和石墨。所以研究鋼熱處理后的組織將參照于Fe、Fe₃C和C的分布情況相關(guān)的鐵碳相圖。如圖3-1所示。  

1.1、45鋼淬火組織分析

45鋼的含碳量為C%=0.42～0.50%，從鐵碳相圖我們可以看出加熱溫度在750℃～930℃之間時(shí)45鋼會(huì)與GS線有交點(diǎn)，該點(diǎn)即為其臨界點(diǎn)Ac₃，從圖中我們可以看出Ac₃點(diǎn)的溫度約為780℃。所以可知在840℃和930℃加熱溫度下45鋼均完全奧氏體化，而加熱溫度在低于這個(gè)溫度時(shí)，45鋼當(dāng)中還殘存有α相。這一點(diǎn)正好說(shuō)明了圖2—2中出現(xiàn)鐵素體以及硬度不夠的原因。圖2—2為45鋼840℃在中溫箱式電阻爐加熱后油淬得到的金相組織。按理論知識(shí)，應(yīng)用這個(gè)熱處理工藝得到的組織應(yīng)該為托氏體+馬氏體，可是出現(xiàn)了鐵素體組織。淬火組織中出現(xiàn)鐵素體組織的原因有兩個(gè)：第一、淬火時(shí)，淬火介質(zhì)的冷速不足；主要是淬火介質(zhì)選擇不合理，淬火介質(zhì)油的冷卻速度比較小，應(yīng)該選用較大冷卻速度的介質(zhì)。冷卻速度比油快的有水、鹽水和堿水等。水、鹽水、堿水三者相比較，鹽水和堿水的冷卻速度比水的高，但是堿水對(duì)工件有腐蝕，所以選擇鹽水，而鹽水的濃度在10%時(shí)冷卻能力最好，所以選擇10%的鹽水作為淬火介質(zhì)。第二、淬火時(shí)加熱溫度不足。淬火時(shí)使用的加熱爐是中溫箱式電阻爐，主要靠輻射傳熱，且加熱方式是到溫入爐，在裝入工件過(guò)程中，空氣對(duì)流，爐內(nèi)溫度下降，使加熱溫度不足。所以加熱溫度應(yīng)該取45鋼淬火的上限，即加熱溫度升為860℃，保溫10分鐘。這樣就可以消除塊狀鐵素體，得到所需的性能。

1.2、45鋼回火組織分析

45鋼淬火后回火，得到的組織為回火索氏體，硬度達(dá)到要求，因此回火的工藝是合理的。

熱處理工藝對(duì)鋼鐵材料物理和化學(xué)性能有很大的影響，因此控制熱處理工藝對(duì)鋼鐵材料性能的提升具有重大意義。在本次設(shè)計(jì)中我們通過(guò)不同的熱處理方式來(lái)探討熱處理工藝對(duì)45鋼組織和性能的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到以下規(guī)律：45鋼熱處理過(guò)程中加熱溫度和冷卻速度的改變對(duì)其組織性能有很大的影響，加熱速度不宜過(guò)高，也不能過(guò)低。溫度過(guò)高容易使工件過(guò)燒，導(dǎo)致工件報(bào)廢；而溫度過(guò)低又達(dá)不到預(yù)期的目的。冷卻速度對(duì)其組織性能的影響更大，冷卻速度的改變直接引起其組織結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而大幅度影響材料的性能。

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，應(yīng)經(jīng)達(dá)到我們無(wú)法想象的地步，要想在競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)，必須研發(fā)性能優(yōu)越的原材料，原材料的質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量的基本保證�？v觀整個(gè)世界，鋼鐵材料是應(yīng)用最為廣泛的。也是與國(guó)名經(jīng)濟(jì)聯(lián)系最密切的，45鋼是最重要的鋼鐵材料之一，所以研究與45鋼性能相關(guān)的熱處理工藝具有重大意義。通過(guò)熱處理工藝的改進(jìn)因其的產(chǎn)品質(zhì)量的提升必將對(duì)中國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出相當(dāng)重要的貢獻(xiàn)。