什么是中碳鋼，中碳鋼的熱處理工藝介紹

　　中碳鋼(Medium carbon steel)
　　碳含量為0.25％～0.65％的碳素鋼。它包括大部分優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和一部分普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。此類鋼大多用于制作各種機(jī)械零件，有的用于制作工程結(jié)構(gòu)件。
　　中碳鋼屬于亞共析鋼，其退火組織為珠光體和鐵素體。隨著鋼中碳含量增加，組織中珠光體數(shù)量增加，而鐵素體數(shù)量減少。
　　碳含量大于0.40％的鋼淬火組織為馬氏體；碳含量大于0.40％時(shí)，除了馬氏體外還有少量殘留奧氏體，殘留奧氏體數(shù)量隨著鋼中碳含量的增加而增加。
　　中碳鋼的最終熱處理方式有調(diào)質(zhì)、淬火后低溫回火、高頻淬火后低溫回火、等溫淬火和淬火后中溫回火。
　　(1)調(diào)質(zhì)。組織為回火索氏體。這種組織具有良好的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)度較高，塑性和韌性良好。調(diào)質(zhì)用鋼要具有良好的淬透性，以保證調(diào)質(zhì)件整個(gè)截面上組織和性能均勻。與合金鋼相比，碳素鋼的淬透性較差，所以只適于截面尺寸不大的中碳鋼零件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
　　(2)淬火后低溫回火。組織為回火馬氏體，這種組織具有很高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。
　　(3)高頻淬火后低溫回火。高頻淬火層組織為極細(xì)的隱針馬氏體，低溫回火后得到回火馬氏體，經(jīng)這種處理可以得到與滲碳處理類似的效果。高頻淬火前一般進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火。所以高頻淬火和回火后，零件心部強(qiáng)度較高，塑性和韌性良好，而其表層硬度高，耐磨性好。另外，高頻淬火件表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，其疲勞極限高，使用壽命長。
　　(4)等溫淬火。組織為貝氏體，這種組織具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性。
　　(5)淬火后中溫回火。組織為回火索氏體。
　　中碳鋼在最終熱處理之前有的進(jìn)行正火作為預(yù)先熱處理，其目的是細(xì)化晶粒，減輕鋼中組織不均勻性，得到均勻的珠光體和鐵素體組織，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。
　　中碳鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，主要用于制作各種傳動(dòng)軸、連桿、離合器、軸銷、螺栓等。中碳鋼經(jīng)高頻淬火和低溫回火后，用于受沖擊載荷且要求耐磨的齒輪、車床主軸、花鍵軸、凸輪軸和半軸等。
　　正火狀態(tài)或不經(jīng)熱處理的中碳鋼，用于制作負(fù)荷不大的拉桿、套筒、緊固件、墊圈和手柄等。碳含量較高的中碳鋼用于制作彈簧和鋼絲等。
　　中碳鋼的熱處理工藝介紹
　　鋼的熱處理：是將固態(tài)鋼材采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理不僅可用于強(qiáng)化鋼材，提高機(jī)械零件的使用性能，而且還可以用于改善鋼材的工藝性能。
　　其共同點(diǎn)是：只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，不改變表面形狀與尺寸。
　　熱處理工藝能夠顯著地提高鋼的力學(xué)性能，增加零件的強(qiáng)度、韌性和使用壽命，提高硬度和耐磨性。所以重要的機(jī)器零件和工具都要進(jìn)行熱處理。熱處理還可以改善工件的加工工藝性能，從而提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。
　　因此，熱處理在機(jī)械制造工業(yè)中起著十分重要的作用。下面以45鋼和40Cr鋼為例。
　　在生產(chǎn)中將淬火后再進(jìn)行高溫回火稱為“調(diào)質(zhì)處理”，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨。可用調(diào)質(zhì)＋表面淬火提高零件表面硬度。
　　1、45鋼——優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼
　　45鋼,是GB中的叫法,JIS中稱為:S45C,ASTM中稱為1045,080M46,DIN稱為:C45；45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼,化學(xué)成分：含碳（C）量是0.42~0.50%，Si含量為0.17~0.37%，Mn含量0.50~0.80%，Cr含量<=0.25%。冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。
　　45鋼熱處理推薦溫度：正火850，淬火840，回火600.
　?、?45鋼淬火后沒有回火之前，硬度大于HRC55（最高可達(dá)HRC62）為合格。實(shí)際應(yīng)用的最高硬度為HRC55（高頻淬火HRC58）。
　?、?45鋼不采用滲碳淬火的熱處理工藝。
　　45鋼的調(diào)質(zhì)：45鋼淬火溫度在A3+(30~50)℃，在實(shí)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(shí)間。如果實(shí)際裝爐量大，就需適當(dāng)延長保溫時(shí)間。不然，可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時(shí)間過長，也會(huì)也出現(xiàn)晶粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重的弊病，影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為，如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定，加熱保溫時(shí)間需延長1/5。
　　因?yàn)?5鋼淬透性低，故應(yīng)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后，應(yīng)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?yàn)楫?dāng)工件冷卻到180℃左右時(shí)，奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過大的組織應(yīng)力所致。因此，當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，就應(yīng)采取緩冷的方法。
　　由于出水溫度難以掌握，須憑經(jīng)驗(yàn)操作，當(dāng)水中的工件抖動(dòng)停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動(dòng)不宜靜，應(yīng)按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運(yùn)動(dòng)。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件，導(dǎo)致硬度不均勻，應(yīng)力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。
　　45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC56~59，截面大的可能性低些，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(dá)不到調(diào)質(zhì)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?yàn)檎{(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機(jī)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(diào)整回火溫度，以保證硬度。如有些軸類零件要求強(qiáng)度高，硬度要求就高；而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調(diào)質(zhì)后還要進(jìn)行銑、插加工，硬度要求就低些。
　　關(guān)于回火保溫時(shí)間，視硬度要求和工件大小而定，我們認(rèn)為，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時(shí)間關(guān)系不大，但必須回透，一般工件回火保溫時(shí)間總在一小時(shí)以上。
　　如果用45鋼滲碳，淬火后芯部會(huì)出現(xiàn)硬脆的馬氏體，失去滲碳處理的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在采用滲碳工藝的材料，含碳量都不高，到0.30％芯部強(qiáng)度已經(jīng)可以達(dá)到很高，應(yīng)用上不多見。0.35％從來沒見過實(shí)例，只在教科書里有介紹。可以采用調(diào)質(zhì)＋高頻表面淬火的工藝，耐磨性較滲碳略差。
　　2、40Cr鋼——合金結(jié)構(gòu)鋼
　　40Cr屬于GB3077“合金結(jié)構(gòu)鋼”。40Cr鋼的含碳量為0.37%～0.44%，比45鋼略低，Si、Mn的含量相當(dāng)，含Cr0.80%～1.10%。在熱軋供貨的情況下，這1%的Cr基本不起作用，它倆的力學(xué)性能大體相當(dāng)。由于40Cr的價(jià)格比45鋼貴一半左右，所以出于經(jīng)濟(jì)性的考慮能用45鋼的就不用40Cr。
　　40Cr鋼的調(diào)質(zhì)處理：Cr在熱處理中的主要作用是提高鋼的淬透性。由于淬透性提高，淬火（或調(diào)質(zhì)）處理后40Cr的強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性等機(jī)械性能也明顯比45鋼高，但也是由于淬透性強(qiáng)，在淬火時(shí)40Cr的內(nèi)應(yīng)力也就比45鋼大，同樣的條件下40Cr材料的工件開裂傾向也就比45鋼材料的工件大。
　　因此為避免工件開裂，40Cr淬火時(shí)大多選用導(dǎo)熱性較低的油作為淬火介質(zhì)（有時(shí)也用雙液淬火法，俗話叫水淬油冷），而45剛則用導(dǎo)熱性較高的水作為淬火介質(zhì)。當(dāng)然，水和油的選擇也不是絕對(duì)的，和工件的形狀也有密切關(guān)系。形狀簡單的40Cr零件也可以使用水淬，而形狀復(fù)雜的45鋼零件也許就得使用油淬甚至鹽浴。
　　40Cr工件調(diào)質(zhì)的淬回火，各種參數(shù)工藝卡片都有規(guī)定，我們?cè)趯?shí)際操作中體會(huì)是：
　?。?）40Cr工件淬火后應(yīng)采用油冷，40Cr鋼的淬透性較好，在油中冷卻能淬硬，而且工件的變形、開裂傾向小。但是小型企業(yè)在供油緊張的情況下，對(duì)形狀不復(fù)雜的工件，可以在水中淬火，并未發(fā)現(xiàn)開裂，只是操作者要憑經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)格掌握入水、出水的溫度。
　?。?）40Cr工件調(diào)質(zhì)后硬度仍然偏高，第二次回火溫度就要增加20~50℃，不然，硬度降低困難。
　?。?）40Cr工件高溫回火后，形狀復(fù)雜的在油中冷卻，簡單的在水中冷卻，目的是避免第二類回火脆性的影響?；鼗鹂炖浜蟮墓ぜ匾獣r(shí)再施以消除應(yīng)力處理。
　　中碳鋼熱處理后能夠達(dá)到的最高硬度約為HRC55(HB538)，σb為600～1100MPa。所以在中等強(qiáng)度水平的各種用途中，中碳鋼得到最廣泛的應(yīng)用，除作為建筑材料外，還大量用于制造各種機(jī)械零件。
　　而中碳鋼只要溫度夠，保溫時(shí)間夠一般都是可能達(dá)到這個(gè)硬度值的，要是不變形是不可能的事。建議一是有加工余量，然后上磨床加工，二是表面淬火。