已故雷廷權(quán)院士曾明確指出，中碳結(jié)構(gòu)鋼在正常淬火后進(jìn)行500～700℃的高溫回火，又可稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理（代號(hào)515），獲得的組織為回火索氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能。因此，調(diào)質(zhì)處理適用于較大動(dòng)載荷，尤其是復(fù)合應(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞）下工作的工件。它們通常要求強(qiáng)度及韌性的良好匹配，即高的強(qiáng)韌性。
隨著資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)和高強(qiáng)度輕量化產(chǎn)品發(fā)展的需要，將傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)處理和調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行細(xì)化分類(lèi)，是不斷提高調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量的重要保證。而采用低碳馬氏體鋼代替調(diào)質(zhì)鋼，則是結(jié)構(gòu)鋼熱處理發(fā)展的一個(gè)重要途徑。
一、調(diào)質(zhì)的分類(lèi)
調(diào)質(zhì)處理的目的是使工件獲得良好的綜合力學(xué)性能，而不僅僅是硬度，所以，調(diào)質(zhì)處理應(yīng)按綜合力學(xué)性能分為高韌性調(diào)質(zhì)、強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)和高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)3類(lèi)。
?。?）高韌性調(diào)質(zhì)高韌性調(diào)質(zhì)是工件經(jīng)淬火后進(jìn)行650～700℃超高溫回火，也稱(chēng)韌化處理。不僅可以使工件獲得一定高的強(qiáng)度和塑性，而且可以獲得相當(dāng)高的韌性。調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能列于表1。高韌性調(diào)質(zhì)非常適用于冷鐓、冷擠壓用鋼的調(diào)質(zhì)球化處理，緊固件、成形件、彎折件的調(diào)質(zhì)處理，以及高韌性軸、桿件的調(diào)質(zhì)處理。
表1 鋼高韌性調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能
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抗拉強(qiáng)度 Rm／MPa |
屈服強(qiáng)度 Rel／MPa |
斷后伸長(zhǎng)率 A（％） |
斷面收縮率 Z（％） |
沖擊吸收功 Akv（0℃）/J |
硬度 HBW |
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500～650 |
350～500 |
22～32 |
60~75 |
80～250 |
160～230 |
（2）強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)是傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)處理，工件淬火后常在550～650℃高溫回火，目的在于提高鋼的韌性，使強(qiáng)度和韌性相匹配，得到較高的綜合力學(xué)性能。強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)適用范圍很廣，約80％以上中碳結(jié)構(gòu)鋼工件都采用此類(lèi)調(diào)質(zhì)。鋼調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能列于表2。
表2 強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能范圍
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抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa |
屈服強(qiáng)度 ReH/MPa |
斷后伸長(zhǎng)率 A（%） |
斷面收縮率 Z（%） |
沖擊吸收功 Akv（0℃）/J |
硬度 HBW |
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650～900 |
500～700 |
15～25 |
45～65 |
50～150 |
240～300 |
?。?）高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)也稱(chēng)硬性調(diào)質(zhì)，工件淬火后進(jìn)行500～600℃的高溫回火，是使工件在獲得較高的塑性、韌性的同時(shí)顯著提高硬度和強(qiáng)度。此工藝非常適用于減重、輕量化工件，如高強(qiáng)度緊固件、高強(qiáng)度鋼拉桿、錨桿，各種軸類(lèi)件等要求高疲勞性能、高壽命的工件。
二、調(diào)質(zhì)鋼的分類(lèi)
文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)指出，影響調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量最重要的因素是鋼的淬透性。淬透性不同的鋼，淬火后得到的淬透層深度便不同，顯微組織也不同，因而沿截面分布的力學(xué)性能也就不同。工件的力學(xué)性能要求越高，尤其當(dāng)工件的截面尺寸很大時(shí)，淬透性的影響也就越大。因此，按鋼的淬透性高低，調(diào)質(zhì)鋼分為淬透性最低調(diào)質(zhì)鋼、淬透性較低調(diào)質(zhì)鋼、淬透性較高調(diào)質(zhì)鋼和淬透性最高調(diào)質(zhì)鋼4類(lèi)。
（1）淬透性最低的調(diào)質(zhì)鋼淬透性最低的調(diào)質(zhì)鋼是指經(jīng)20℃水淬，臨界直徑15～23mm的中碳非合金鋼（中碳碳素鋼）。如35鋼、40鋼、45鋼、50鋼。其中45鋼（代號(hào)U20452）是我國(guó)應(yīng)用最普遍、使用量最大的調(diào)質(zhì)鋼。由于淬透性最低，因此45鋼的調(diào)質(zhì)處理只適合截面尺寸小于25mm的小工件。
但是多年來(lái)，許多企業(yè)對(duì)45鋼的調(diào)質(zhì)處理恰恰忽略了淬透性這個(gè)最重要的質(zhì)量特性，不僅截面尺寸60～100mm的工件，甚至直徑300～500mm大型軸類(lèi)件的預(yù)先熱處理也采用調(diào)質(zhì)處理。由于截面尺寸效應(yīng)，工件尺寸越大淬火后硬度越低，淬硬層越淺，工件的綜合力學(xué)性能也就越低。特別是由于粗車(chē)余量（一般3～5mm），45鋼工件調(diào)質(zhì)處理后的精車(chē)會(huì)將工件的大部分甚至全部淬硬層加工掉。由于當(dāng)工件直徑大于60mm時(shí)，調(diào)質(zhì)后的性能與正火后的性能相近，尺寸大于100mm時(shí)表面甚至無(wú)法得到馬氏體組織，所以45鋼大截面尺寸工件應(yīng)在正火或表面淬火狀態(tài)下使用。
?。?）淬透性較低的調(diào)質(zhì)鋼淬透性較低的調(diào)質(zhì)鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為30～54mm，油淬臨界直徑為19～40mm的中碳低合金鋼（質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不大于2.5％）。主要有35Cr、40Cr、45Cr、35Mn2、40Mn2、45Mn2鋼等，其中40Cr鋼（代號(hào)A20402）是我國(guó)使用量最大的合金調(diào)質(zhì)鋼。常用于中等截面尺寸、力學(xué)性能要求比非合金鋼（碳鋼）高的調(diào)質(zhì)件。
?。?）淬透性較高的調(diào)質(zhì)鋼淬透性較高的調(diào)質(zhì)鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為42～85mm，油淬臨界直徑為30～6mm的中碳低合金鋼。主要有30CrMnSi、35CrMnSi、35CrMo、42CrMo、40CrNi鋼等。35CrMo（代號(hào)A30352）、42CrMo（代號(hào)A30422）鋼是最常采用的中碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高，韌性好，淬透性較40Cr鋼高，在高溫下有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，可在500℃溫度下長(zhǎng)期工作。
?。?）淬透性最高的調(diào)質(zhì)鋼淬透性最高的調(diào)質(zhì)鋼是指用20℃水淬、臨界直徑為60～126mm，油淬臨界直徑為46～114mm的中碳低合金鋼和中碳中合金鋼。主要鋼種有40CrNiMoA（代號(hào)A50403）、agtCrMnMo（代號(hào)A34402）、37CrNi3（代號(hào)A42372）鋼等。常用于制造大截面、承受沖擊載荷的高強(qiáng)度零件，如臥式鍛造機(jī)的傳動(dòng)偏心軸，鍛壓機(jī)的曲軸，高強(qiáng)度拉桿、錨桿等。
上述4類(lèi)調(diào)質(zhì)鋼，僅涵蓋了普通機(jī)械用調(diào)質(zhì)鋼，由于鋼的化學(xué)成分不同，截面尺寸不同，熱處理工藝不同，因此各類(lèi)之間沒(méi)有嚴(yán)格的界限。
三、低碳馬氏體鋼代替調(diào)質(zhì)鋼
雷廷權(quán)院士特別強(qiáng)調(diào)，調(diào)質(zhì)處理是在犧牲強(qiáng)度的條件下提高塑性及韌性的工藝，對(duì)發(fā)揮材料的潛力是十分不利的。而低碳鋼及低碳合金鋼強(qiáng)烈淬火成低碳馬氏體的應(yīng)用日益廣泛，成為發(fā)揮鋼材強(qiáng)韌性潛力，延長(zhǎng)機(jī)器零件壽命的一個(gè)重要途徑，因此在工業(yè)生產(chǎn)中低碳鋼強(qiáng)烈淬火可以代替一部分中碳鋼調(diào)質(zhì)處理。
?。?）20Cr鋼低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火代替40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理20Cr鋼在350℃回火后，強(qiáng)度、硬度、塑性、沖擊韌度均比調(diào)質(zhì)40Cr鋼高。用20Cr鋼可以取代40Cr鋼制造鉆桿鎖接頭，可減少甚至避免滑扣失效。由于具有高的塑性、斷裂韌度、多沖抗力和冷脆轉(zhuǎn)化溫度較低（<-70℃），可顯著提高鉆桿鎖頭使用壽命。低碳馬氏體強(qiáng)化后具有優(yōu)良的加工性能，并簡(jiǎn)化了工序，降低了成本。
?。?）20鋼低碳馬氏體強(qiáng)烈淬火代替45鋼調(diào)質(zhì)處理用20鋼鋼管代替45鋼調(diào)質(zhì)制造鏈板運(yùn)輸機(jī)的方套。20鋼鋼管經(jīng)900℃X7min淬人10%NaCl水溶液，160℃×30min回火，硬度42～46HRC，強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)45鋼提高40％，簡(jiǎn)化了工序，裝配時(shí)不發(fā)生破裂，畸變小，提高了產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)效率提高了1倍以上。
用20鋼代替45鋼調(diào)質(zhì)制造升降臂連接銷(xiāo)。升降臂連接銷(xiāo)原采用45鋼調(diào)質(zhì)處理。部分零件兩頭φ6mm孔產(chǎn)生裂紋。采用20鋼，1000℃×4.5～5min，淬入5％～15％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）堿水，沒(méi)有裂紋。
四、結(jié)束語(yǔ)
（1）調(diào)質(zhì)處理最主要的目的是使工件獲得良好的綜合力學(xué)性能。按力學(xué)性能分類(lèi)，調(diào)質(zhì)分為高韌性調(diào)質(zhì)，強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)，高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)3類(lèi)。
?。?）淬透性是影響調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量的最重要的質(zhì)量特性。按淬透性調(diào)質(zhì)鋼分為淬透性最低、較低、較高及最高4類(lèi)。
?。?）低碳馬氏體鋼代替調(diào)質(zhì)鋼，是結(jié)構(gòu)鋼熱處理發(fā)展的一個(gè)重要途徑。
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