一起唠唠：钢的调质处理

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作者：张垣

单位：巨力索具股份有限公司钢拉杆制造总厂

来源：《金属加工（热加工）》杂志

已故雷廷权院士曾明确指出，中碳结构钢在正常淬火后进行500～700℃的高温回火，又可称为调质处理（代号515），获得的组织为回火索氏体，具有良好的综合力学性能。因此，调质处理适用于较大动载荷，尤其是复合应力（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、疲劳）下工作的工件。它们通常要求强度及韧性的良好匹配，即高的强韧性。

随着资源节约型社会的建设和高强度轻量化产品发展的需要，将传统的调质处理和调质钢进行细化分类，是不断提高调质处理质量的重要保证。而采用低碳马氏体钢代替调质钢，则是结构钢热处理发展的一个重要途径。

一、调质的分类

调质处理的目的是使工件获得良好的综合力学性能，而不仅仅是硬度，所以，调质处理应按综合力学性能分为高韧性调质、强韧性调质和高强度调质3类。

（1）高韧性调质

高韧性调质是工件经淬火后进行650～700℃超高温回火，也称韧化处理。不仅可以使工件获得一定高的强度和塑性，而且可以获得相当高的韧性。调质后的力学性能列于表1。高韧性调质非常适用于冷镦、冷挤压用钢的调质球化处理，紧固件、成形件、弯折件的调质处理，以及高韧性轴、杆件的调质处理。

表1  钢高韧性调质处理后的力学性能

抗拉强度 Rm／MPa	屈服强度 Rel／MPa	断后伸长率 A（％）	断面收缩率 Z（％）	冲击吸收功 Akv（0℃）/J	硬度 HBW
500～650	350～500	22～32	60~75	80～250	160～230

（2）强韧性调质

强韧性调质是传统的调质处理，工件淬火后常在550～650℃高温回火，目的在于提高钢的韧性，使强度和韧性相匹配，得到较高的综合力学性能。强韧性调质适用范围很广，约80％以上中碳结构钢工件都采用此类调质。钢调质后力学性能列于表2。

表2  强韧性调质处理后的力学性能范围

抗拉强度 Rm/MPa	屈服强度 ReH/MPa	断后伸长率 A（%）	断面收缩率 Z（%）	冲击吸收功 Akv（0℃）/J	硬度 HBW
650～900	500～700	15～25	45～65	50～150	240～300

（3）高强度调质

高强度调质也称硬性调质，工件淬火后进行500～600℃的高温回火，是使工件在获得较高的塑性、韧性的同时显著提高硬度和强度。此工艺非常适用于减重、轻量化工件，如高强度紧固件、高强度钢拉杆、锚杆，各种轴类件等要求高疲劳性能、高寿命的工件。钢调质后的力学性能列于表3。

表3  高强度调质处理后的力学性能范围

二、调质钢的分类

文献强调指出，影响调质处理质量最重要的因素是钢的淬透性。淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度便不同，显微组织也不同，因而沿截面分布的力学性能也就不同。工件的力学性能要求越高，尤其当工件的截面尺寸很大时，淬透性的影响也就越大。因此，按钢的淬透性高低，调质钢分为淬透性最低调质钢、淬透性较低调质钢、淬透性较高调质钢和淬透性最高调质钢4类。

（1）淬透性最低的调质钢

淬透性最低的调质钢是指经20℃水淬，临界直径15～23mm的中碳非合金钢（中碳碳素钢）。如35钢、40钢、45钢、50钢。其中45钢（代号U20452）是我国应用最普遍、使用量最大的调质钢。由于淬透性最低，因此45钢的调质处理只适合截面尺寸小于25mm的小工件。

但是多年来，许多企业对45钢的调质处理恰恰忽略了淬透性这个最重要的质量特性，不仅截面尺寸60～100mm的工件，甚至直径300～500mm大型轴类件的预先热处理也采用调质处理。由于截面尺寸效应，工件尺寸越大淬火后硬度越低，淬硬层越浅，工件的综合力学性能也就越低。特别是由于粗车余量（一般3～5mm），45钢工件调质处理后的精车会将工件的大部分甚至全部淬硬层加工掉。由于当工件直径大于60mm时，调质后的性能与正火后的性能相近，尺寸大于100mm时表面甚至无法得到马氏体组织，所以45钢大截面尺寸工件应在正火或表面淬火状态下使用。

（2）淬透性较低的调质钢

淬透性较低的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为30～54mm，油淬临界直径为19～40mm的中碳低合金钢（质量分数一般不大于2.5％）。主要有35Cr、40Cr、45Cr、35Mn2、40Mn2、45Mn2钢等，其中40Cr钢（代号A20402）是我国使用量最大的合金调质钢。常用于中等截面尺寸、力学性能要求比非合金钢（碳钢）高的调质件。

（3）淬透性较高的调质钢

淬透性较高的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为42～85mm，油淬临界直径为30～6mm的中碳低合金钢。主要有30CrMnSi、35CrMnSi、35CrMo、42CrMo、40CrNi钢等。35CrMo（代号A30352）、42CrMo（代号A30422）钢是最常采用的中碳低合金调质钢，主要特点是强度高，韧性好，淬透性较40Cr钢高，在高温下有高的蠕变强度和持久强度，可在500℃温度下长期工作。

（4）淬透性最高的调质钢

淬透性最高的调质钢是指用20℃水淬、临界直径为60～126mm，油淬临界直径为46～114mm的中碳低合金钢和中碳中合金钢。主要钢种有40CrNiMoA（代号A50403）、agtCrMnMo（代号A34402）、37CrNi3（代号A42372）钢等。常用于制造大截面、承受冲击载荷的高强度零件，如卧式锻造机的传动偏心轴，锻压机的曲轴，高强度拉杆、锚杆等。

上述4类调质钢，仅涵盖了普通机械用调质钢，由于钢的化学成分不同，截面尺寸不同，热处理工艺不同，因此各类之间没有严格的界限。

三、低碳马氏体钢代替调质钢

雷廷权院士特别强调，调质处理是在牺牲强度的条件下提高塑性及韧性的工艺，对发挥材料的潜力是十分不利的。而低碳钢及低碳合金钢强烈淬火成低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径，因此在工业生产中低碳钢强烈淬火可以代替一部分中碳钢调质处理。

（1）20Cr钢低碳马氏体强烈淬火代替40Cr钢调质处理

20Cr钢在350℃回火后，强度、硬度、塑性、冲击韧度均比调质40Cr钢高。用20Cr钢可以取代40Cr钢制造钻杆锁接头，可减少甚至避免滑扣失效。由于具有高的塑性、断裂韧度、多冲抗力和冷脆转化温度较低（<-70℃），可显著提高钻杆锁头使用寿命。低碳马氏体强化后具有优良的加工性能，并简化了工序，降低了成本。这两种钢调质后的力学性能见表4。

表4  20Cr钢和40Cr钢热处理后的力学性能对比

（2）20钢低碳马氏体强烈淬火代替45钢调质处理

用20钢钢管代替45钢调质制造链板运输机的方套。20钢钢管经900℃X7min淬人10%NaCl水溶液，160℃×30min回火，硬度42～46HRC，强度比调质45钢提高40％，简化了工序，装配时不发生破裂，畸变小，提高了产品质量生产效率提高了1倍以上。

用20钢代替45钢调质制造升降臂连接销。升降臂连接销原采用45钢调质处理。部分零件两头φ6mm孔产生裂纹。采用20钢，1000℃×4.5～5min，淬入5％～15％（质量分数）碱水，没有裂纹。

（3）20CrMnTi钢淬火强化代替40CrMnTi钢调质

热处理后，20CrMnTi钢和40CrMnTi钢的力学性能列于表5。

表5  20CrMnTi钢和40CrMnTi钢热处理后的力学性能对比

四、结束语

（1）调质处理最主要的目的是使工件获得良好的综合力学性能。按力学性能分类，调质分为高韧性调质，强韧性调质，高强度调质3类。

（2）淬透性是影响调质处理质量的最重要的质量特性。按淬透性调质钢分为淬透性最低、较低、较高及最高4类。

（3）低碳马氏体钢代替调质钢，是结构钢热处理发展的一个重要途径。

参考文献：略。

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