45Mn2材料水-空淬火工艺

我公司采用的中碳合金钢材料种类主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等，其中45Mn2钢约占20%，45Mn2钢传统工艺采用油进行淬火。采用油淬存在以下不足：一是淬火时产生大量的油烟，不仅污染环境，而且危害操作工人的身体健康；二是油的成本远远大于水的成本，且油容易老化，老化后，换新油成本太高，不换则产品质量不好保证，经常出现工件调质后硬度不满足技术的情况，容易造成返工；三是淬火时如操作不当，容易发生火灾。

近几年来，我们已积累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控时淬火工艺，并已经广泛的应用于公司多种产品，积累了中碳合金钢水-空控时淬火的实际经验。但45Mn2材料含C、Mn元素较高，薄壁套类零件在淬火过程中容易开裂。为消除油淬火带来的不利影响，经充分讨论，热处理技术人员决定大胆创新，组织对45Mn2材料产品进行水-空控时淬火试验。

1、试验材料

材料45Mn2具体成分如表1所示。技术要求：调质处理280～320HBW（相当于30～35HRC），调质处理后工件无裂纹。试验件工艺路线：锻造→粗车→调质→加工；数量：3件，规格：φ70mm×300mm。

表1 试验用45Mn2的材料化学成分（质量分数） （%）

2、试验参数及方法

本次试验采用普通箱式台车电阻炉，功率100kW。

（1）调质工艺参数的选择 对45Mn2材料试棒进行水-空、油、淬火液三种淬火冷却介质进行淬火，45Mn2属于亚共析钢，材料的Ac3为770℃，通常淬火温度选取以Ac3以上30～50℃，根据选取的淬火冷却介质冷却能力的大小选择适当的淬火温度。油的冷却速度慢，所以油淬火温度选择常规淬火温度860℃；水基淬火液和水的冷却速度非常快，所以在试验时先采用800℃作为淬火温度。

因油在低温区具有较慢的冷却速度，所以试棒采用油进行淬火，入油冷却时间取5s/mm；水基淬火液在高温区具有较快的冷却速度，但当工件温度低于300℃后冷却速度相当于油的冷却速度，所以水基淬火液冷却时间与油相同；因水在工件温度低于300℃后具有较快的冷却速度，为了防止工件在低温区淬火开裂，冷却时间取1～1.5s/mm。具体参数见表2。

表2  45Mn2试棒调质处理工艺参数

（2）硬度、金相显微组织、力学性能检测 对试棒淬火、回火处理后进行硬度、金相组织、力学性能检测，其中试棒表面硬度检测采用HBC型锤击式布氏硬度计，按照GB/T231-2009《金属材料 布氏硬度试验》规定检测试棒布氏硬度；试棒切片采用TH301洛氏硬度计检测硬度；用光学显微镜DM13000M，按照GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》规定检测显微组织。按GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》规定检测材料抗拉强度、延伸强度、断后伸长率和断面收缩率；按照GB/T229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定检测常温冲击吸收能量。

（3）对比采用三种不同的淬火冷却介质进行调质处理后，试棒的硬度、金相显微组织、试棒切片硬度的区别。同时，根据试棒水-空控时淬火试验数据，制定产品调质工艺参数。

3、45Mn2材料试棒试验结果与分析

采用表2中参数处理后试棒切片如图1，淬火后切片硬度如表3，回火后切片硬度如表4，回火后相对应的金相显微组织如图2所示，金相结果如表5所示，力学性能如表6所示。

图1 试棒切片及硬度检测部位示意

表3  采用不同淬火介质淬火后切片的硬度值（HRC）

表4  采用不同淬火介质调质后切片的硬度梯度值（HRC）

（a）860℃油淬火，480℃回火

（b）800℃水基淬火液淬火，550℃回火

（c）800℃水-空淬火，550℃回火

图2采用三种介质调质处理后45Mn2试棒金相组织图

表5  不同冷却介质调质处理后金相结果

表6不同热处理冷却介质下的力学性能结果

从表3、表4分析得出：采用三种不同的淬火介质处理后，工件淬火后都得到马氏体组织（45Mn2材料半马氏体硬度为45HRC），其中，采用油淬火后淬硬层深度为10mm，采用淬火液淬硬层深度为20mm，采用水-空淬火淬硬层深度为30mm，采用表2工艺参数回火后，因回火温度高，油淬试块切片硬度与淬火液试块切片硬度低于技术要求，水-空淬火试块切片硬度符合技术要求。

从图2、表5分析得出：金相显微组织采用水基淬火液组织最好，水-空淬火次之，油淬火组织最差为4～5级。采用油淬火组织差的原因主要是油的冷却速度慢，在淬火过程中，部分奥氏体因冷却速度不足，发生珠光体转变，甚至有部分条状及块状铁素体析出。

从表6可以看出：各项力学性能油的抗拉强度最好，水-空次之；但水-空的屈服强度、伸长率、断面收视率、冲击功最好。所以综合考虑水-空淬火各项性能较佳。

综合考虑硬度、淬硬层深度、金相显微组织、各项力学性能，认为45Mn2材料水-空淬火工艺可行，制定45Mn2材料轴承座调质工艺。

4、45Mn2材料水-空控时淬火工艺在轴承座调质处理应用实例

（1）轴承座技术要求及调质热处理参数 技术要求：调质处理280～320HBW，工艺径向留加工量4mm。要求工件处理后径向变形≤2mm。调质工艺参数：装炉方式见图3，淬火温度选择800℃，回火温度550℃，保温时间90min。每次水冷却时间计算方式为取1～1.5s/mm。共试验10件，具体调质参数及实验结果见表7。

表7  轴承座调质处理工艺参数及实验结果

（2）试验结果与分析 从表7分析得出，轴承座采用上述工艺参数处理后，硬度满足技术要求280～320HBW，且工件外圆径向变形小于1.0mm，满足工艺变形要求，工件无开裂现象。

采用水-空控时淬火变形小的原因是工件在淬火过程中，工件各处冷却速度相当；工件在高温期冷却速度快，热应力增大，热应力增大的同时抵消了大部分组织应力。

采用水-空控时淬火的关键点在于控制工件在高温期快的冷却速度、低温期慢的冷却速度。在高温期采用水作为淬火介质，从而获得大于临界淬火速度，确保奥氏体不发生珠光体转变，大部分直接转变为马氏体，然而在低于Ms点以下的低温区，采用空气作为淬火介质，以获得较低的冷却速度，以减少工件的组织应力。如在高温期冷却速度不足，则造成工件淬火后硬度不足，如在低温区冷却速度太快，则会造成工件组织应力过大，当组织应力超过材料的抗拉强度时，工件就会开裂。

5、结语

（1）根据实际淬火经验得出，45Mn2材料采用水-空控时淬火工艺可行，淬火温度选择800℃，当工件的有效厚度≤60mm时，水冷却总时间计算方式为取1～1.5s/mm（水温低取下限，水温高选择上限），分2～3次进行冷却。空冷时间以工件在空气中返热温度超过320℃为界限，当工件返热温度超过320℃，工件再次入水冷却（45Mn2材料Ms点为320℃）。

（2）采用此种工艺方式处理后，工件硬度满足技术要求，变形≤1mm，金相组织满足GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》标准要求。

（3）采用此种工艺的优点一是节约成本，就轴承座与原来的工艺相比，每年可节约工装成本8000元，节约电费14000元，节约油耗32000元，总计54000元；二是减少油烟对环境的污染，改善了员工的作业环境，同时在淬火过程中不会发生火灾。但缺点是淬火操作过程中对操作者的技能要求高，在淬火过程中如操作不当，容易造成工件开裂。所以建议购买新的淬火设备，实现通过数控控制工件冷却时间，减少人为淬火因素，稳定产品质量。