調質鋼

調質鋼，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳鋼。一般用這類鋼製作的零件要求具有很好的綜合機械性能，即在保持較高的強度的同時又具有很好的塑性和韌性，人們往往使用調質處理來達到這個目的，所以人們習慣上就把這一類鋼稱作調質鋼。各類機器上的結構零件大量採用調質鋼，是結構鋼中使用最廣泛的一類鋼。

基本介紹

• 中文名：調質鋼
• 外文名：Quenched and tempered steel
• 含碳量：0.3-0.6%的中碳鋼
• 優點：綜合機械性能
• 金相檢驗：原材料組織檢驗等
• 套用：結構件、緊固件等

鋼材介紹

調質鋼指淬火成馬氏體後在500~650℃之間溫度範圍內回火的調質處理用鋼。經調質處理後，鋼的強度、塑性及韌性有良好的配合。

調質鋼的成分是含碳0.25%~0.5%碳素鋼或低合金鋼和中合金鋼，調質處理後的金相組織是回火索氏體。各類機器上的結構零件大量採用調質鋼，是結構鋼中使用最廣泛的一類鋼。套用最廣的調質鋼有鉻系調質鋼（如40Cr、40CrSi）、鉻錳系調質鋼（如40CrMn）、鉻鎳系調質鋼（如40CrNiMo、37CrNi3A）、含硼調質鋼等。

性能特點

化學組成

碳含量0.3~0.5%，並含有一種或幾種合金元素，具有較低或中等的合金化程度。鋼中合金元素的作用主要是提高鋼的淬透性和保證零件在高溫回火後獲得預期的綜合性能。

熱處理工藝是在臨界點以上一定溫度加熱後淬火成馬氏體，並在500℃~650℃回火。熱處理後的金相組織是回火索氏體。這種組織具有強度、塑性和韌性的良好配合。

質量要求

除一般的冶金方面的低倍和高倍組織要求外，主要為鋼的力學性能以及與工作可靠性和壽命密切相關的冷脆性轉變溫度、斷裂韌性和疲勞抗力等。在特定條件下，還要求具有耐磨性、耐蝕性和一定的抗熱性。由於調質鋼最終採用高溫回火，能使鋼中應力完全消除，鋼的氫脆破壞傾向性小，缺口敏感性較低，脆性破壞抗力較大，但也存在特有的高溫回火脆性。

大多數調質鋼為中碳合金結構，屈服強度在490~1200Mpa。以焊接性能為突出要求的調質鋼，為低碳合金結構鋼，屈服強度一般為490~800Mpa，有很高的塑性和韌性。少數沉澱硬化型調質鋼，屈服強度可到1400Mpa以上，屬高強度和超高強度調質鋼。

分類

常用的合金調質鋼按淬透性和強度分為4類：

①低淬透性調質鋼；

②中淬透性調質鋼；

③較高淬透性調質鋼；

④高淬透性調質鋼。

以下是兩種典型的調質鋼：

45調質鋼

45鋼是中碳結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，所以套用廣泛。它的最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜採用。

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間。如果實際裝爐量大，就需適當延長保溫時間。不然，可能會出現因加熱不均勻造成硬度不足的現象。但保溫時間過長，也會也出現晶粒粗大，氧化脫碳嚴重的弊病，影響淬火質量。我們認為，如裝爐量大於工藝檔案的規定，加熱保溫時間需延長1/5。

因為45鋼淬透性低，故應採用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水後，應該淬透，但不是冷透，如果工件在鹽水中冷透，就有可能使工件開裂，這是因為當工件冷卻到180℃左右時，奧氏體迅速轉變為馬氏體造成過大的組織應力所致。因此，當淬火工件快冷到該溫度區域，就應採取緩冷的方法。由於出水溫度難以掌握，須憑經驗操作，當水中的工件抖動停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜動不宜靜，應按照工件的幾何形狀，作規則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件，導致硬度不均勻，應力不均勻而使工件變形大，甚至開裂。

45鋼調質件淬火後的硬度應該達到HRC56~59，截面大的可能低些，但不能低於HRC48，不然，就說明工件未得到完全淬火，組織中可能出現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，達不到調質的目的。

45鋼淬火後的高溫回火，加熱溫度通常為560~600℃，硬度要求為HRC22~34。因為調質的目的是得到綜合機械性能，所以硬度範圍比較寬。但圖紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調整回火溫度，以保證硬度。如有些軸類零件要求強度高，硬度要求就高；而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件，因調質後還要進行銑、插加工，硬度要求就低些。關於回火保溫時間，視硬度要求和工件大小而定，我們認為，回火後的硬度取決於回火溫度，與回火時間關係不大，但必須回透，一般工件回火保溫時間總在一小時以上。

合金調質鋼

1、用途

合金調質鋼廣泛用於製造汽車、拖拉機、工具機和其它機器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。

2、性能要求

調質件大多承受多種工作載荷，受力情況比較複雜，要求高的綜合機械性能，即具有高的強度和良好的塑性、韌性。合金調質鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。

3、成分特點

(1) 中碳：碳質量分數一般在0.25%~0.50%之間，以0.4%居多；

(2) 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強度。如調質處理後的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多；

(3) 加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調質鋼，高溫回火慢冷時易產生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質量分數為0.15%~0.30%，或W的質量分數為0.8%~1.2%。

力學性能

1、合金元素對力學性能的影響

淬透性能相同的鋼調質到相同硬度時，抗拉強度基本相同，硬度與抗拉強度大致成直線關係。

各種成分的合金鋼調質到各種硬度值時，硬度值為400HB（抗拉強度約為1400MPa）時，屈強比值最高，約為0.9，淬火狀態的組織對屈強比有很大影響。

調整增加鋼材淬透性的合金元素的含量，可以得到相同的淬透性能，得到相同的抗拉強度和屈服強度。因此，在選擇合金元素時應優先選擇增加淬透性能作用顯著而價格較低的元素，如硼、錳、鉻等。但是合金元素不同的鋼要調質到相同的硬度所採用的回火溫度各不相同，即各種鋼的抗回火性能不同。

淬透性能相同的鋼調質到相同硬度時，抗拉強度和屈服強度雖基本相同，但是脆性破壞傾向差別很大，低溫衝擊試驗尤為明顯。成分不同的鋼調質後硬度與疲勞極限的關係不同。硬度在35HRC以下時疲勞極限和硬度成直線關係，疲勞極限的波動範圍為130MPa。硬度超過35HRC時，疲勞極限的波動範圍變寬。如硬度為55HRC時，疲勞極限的波動範圍達380MPa。

2、調質零件硬度的確定

零件的淬透情況相同時，調質後的硬度即可反映零件的屈服強度與抗拉強度，因此零件圖紙和技術條件一般只規定硬度數值。只有很重要的零件才規定其他力學性能指標。

調質零件硬度的確定，必須考慮到製造工藝的要求和使用時的載荷條件。從製造工藝考慮，希望零件在毛坯狀態調質，而後進行切削加工和裝配。這樣零件熱處理時產生的變形和脫碳在以後的切削加工中加以消除。但是採用這種製造程式的零件，其硬度不能過高，一般不超過300HB，個別的不超過350HB，否則對切削加工不利。要求硬度更高的零件（如有的汽車半軸要求硬度為341~415HB），只能先切削加工，然後再進行調質處理，這時零件加熱時應防止脫碳和變形，有時熱處理後要增加校直工序。小批量或單件生產的零件，切削加工所允許的硬度可以適當提高。

確定調質零件硬度時還必須考慮到生產的特點，小批單件生產的產品，不同零件可以選定不同的硬度，大批量流水生產的工廠希望大部分零件的硬度範圍一致或固定在幾個硬度範圍內，這對組織熱處理生產有很大的方便。

從零件使用角度考慮，確定調質零件的硬度時要注意到零件的工作條件和零件的形狀。一般的講，硬度值高，抗拉強度、屈服強度和光滑樣品的疲勞強度都高，但是塑性指標降低，脆性破壞傾向和應力集中的敏感性增加，因此，當零件上有起應力集中作用的缺口時，為使應力分布均勻、減少應力集中現象，這時較低的硬度反而可以獲得較高的疲勞性能。

金相檢驗

原材料檢驗

調質工件在淬火前的理想組織應為細小均勻的鐵素體加珠光體，這樣才能保證在正常淬火工藝下獲得良好的淬火組織—細小的馬氏體。

脫碳層檢驗

鋼材在熱加工或熱處理時，表面因與爐氣作用而形成脫碳層。脫碳層的特徵是表面鐵索體量相對心部要多或表面全部為鐵素體，從而使工件淬火後出現鐵素體或托氏體組織，回火後硬度不足，耐磨性和疲勞強度下降。因此，調質工件淬火後不允許有超過加工餘量的脫碳層。試樣的磨麵必須垂直脫碳面，邊緣保持完整，不應有倒角。試樣的侵蝕劑用硝酸酒精溶液[ (99~95 mL)工業酒精+(1~5 mL)硝酸( HNO₃)]即可。脫碳層的具體測量方法可按GB/T 224-2008標準進行。

脫碳層檢驗

淬回火組織

調質鋼正常淬火組織為板條狀馬氏體+少量針狀馬氏體。當含碳量較低時，如30CrMo，淬火形態特徵趨向於低碳馬氏體。當含碳量較高，如50CrV，淬火形態特徵趨向於高碳馬氏體。如果淬火加熱溫度過低或保溫不足，奧氏體未均勻化或淬火前預先熱處理不當，未使原始組織變得細勻一致，導致工件淬、回火後的組織為回火索氏體和未溶的鐵素體。如果淬火加熱溫度正常，且保溫時間足夠，但冷卻速度不夠，以致不能淬透，結果沿工件截面各部位將得到不同的組織，即從表層至中心依次出現馬氏體、馬氏體和托氏體、托氏體和鐵素體等組織。

當工件淬火溫度正常，保溫時間足夠，且冷卻速度也較大，過冷奧氏體在淬火過程中未發生分解，那么淬火後得到的組織應是板條狀馬氏體和針片狀馬氏體。在隨後的高溫回火過程中，馬氏體中析出碳化物，最終得到的是均勻且彌散分布的回火索氏體。

套用

1、中碳鋼：代表鋼種有30、35、40、45，也有ML30、ML35、ML40、ML45，有較穩定的室溫性能，用於中小結構件、緊固件、傳動軸、齒輪等。

2、錳鋼：代表鋼種40Mn2、50Mn2。有過熱敏感性、高溫回火脆性，水淬易開裂，淬透性較碳鋼高。

3、矽錳鋼：代表鋼種35SiMn、42SiMn。疲勞強度高，有脫碳和過熱敏感性及回火脆性。用於製造中速、中高等負荷但衝擊不大的齒輪、軸、轉軸、連桿、蝸桿等，也可製造400℃以下緊固件。

4、硼鋼：代表鋼種40B、45B、50BA、ML35B。淬透性高，綜合機械性能高於碳鋼，與40Cr相當用於製造截面尺寸不大的零件、緊固件等。

5、錳硼鋼：代表鋼種40MnB。淬透性稍高於40Cr，高的強度、韌性及低溫衝擊韌性，有回火脆性。40MnB常用來代替40Cr製造大截面零件，代替40CrNi製造小件；45MnB代替40Cr、45Cr；45Mn2B代替45Cr和部份代替40CrNi、45CrNi作重要的軸，也有ML35 MnB用於緊固件生產。

6、錳釩硼鋼： 代表鋼種20 MnVB 、40MnVB、。調質性能和淬透性優於40Cr，過熱傾向小，有回火脆性。常用來代替40Cr、45Cr、38CrSi、42CrMo及40CrNi製造重要的調質件，也有用中小規格10.9級以下螺栓的、ML20 MnVB。

7、錳鎢硼鋼：代表鋼種40MnWB。良好的低溫衝擊性能，無回火脆性。與35CrMo、40CrNi相當，用於製造70mm以下的零件。

8、矽錳鉬鎢鋼： 代表鋼種35SiMn2MoW。有較高的淬透性，以50%馬氏體計算，水淬直徑180，油淬直徑100；淬裂傾向、回火脆性傾向小；具有高強度和高韌性。可代替35CrNiMoA、40CrNiMo，用於製造大截面、重負荷的軸、連桿及螺栓。

9、矽錳鉬鎢釩鋼：代表鋼種37SiMn2MoWVA。水淬直徑100，油淬直徑70；良好的回火穩定性、低溫衝擊韌性，較高的高溫強度，回火脆性也較小，用於製造大截面的軸類零件。

10、鉻鋼： 以40Cr及ML40Cr為代表。淬透性較好，水淬28-60mm，油淬15-40mm。較高的綜合機械性能，良好的低溫衝擊韌性，低的缺口敏感性，有回火脆性。用於製造軸、連桿、齒輪及螺栓。

11、鉻矽鋼： 代表鋼種38CrSi。淬透性優於40Cr，強度和低溫衝擊較高，回火穩定性較好，回火脆性傾向較大。常用於製造30-40mm的軸、螺栓以及模數不大的齒輪。

12、鉻鉬鋼：代表鋼種30CrMoA、42CrMo、ML30CrMo、ML42CrMo。水淬30-55mm，油淬15-40mm；高的室溫機械性能和較高的高溫強度，良好的低溫衝擊；無回火脆性。用於製造截面較大的零件，高負荷的螺栓、齒輪及500℃以下的法蘭盤、螺栓；400℃以下的導管、緊固件。42CrMo淬透性較30CrMoA高，用於製造強度更高、截面更大的零件。

13、鉻錳鉬鋼：代表鋼種40CrMnMo。油淬直徑80mm，具有較高的綜合機械性能，回火穩定性好。用於製造截面較大的重負荷齒輪及軸類零件。

14、錳鉬釩鋼：代表鋼種30Mn2MoWA。具有良好的淬透性：水淬達到150mm，心部組織為上、下貝氏體加少量馬氏體；油淬70mm，心部95%以上的馬氏體；良好的低溫衝擊韌性，低的缺口敏感性及較高的疲勞強度。用於製造80mm以下的重要件。

15、鉻錳矽鋼：代表鋼種30CrMnSiA。水淬40~60mm（95%的馬氏體），油淬25~40mm。強度、衝擊韌性高，有回火脆性。用於製造高壓鼓風機葉片、閥板、離合器摩擦片、軸及齒輪等。

16、鉻鎳鋼： 代表鋼種40CrNi和45CrNi。水淬達到40mm，油淬15~25mm；良好的綜合機械性能，良好的低溫衝擊韌性，回火脆性傾向小。30CrNi3A淬透性較高，綜合機械性能好，有白點敏感性和回火脆性。用於製造截面較大的曲軸、連桿、齒輪、軸及螺栓等。

17、鉻鎳鉬鋼：代表鋼種40CrNiMoA。具有優良的綜合機械性能，低溫衝擊韌性高，缺口敏感性低，無回火脆性。用於製造較大的曲軸、軸、連桿、齒輪、螺栓及其它受力較大、形狀複雜的零件。

18、鉻鎳鉬釩鋼： 代表鋼種45CrNiMoVA。強度高，回火穩定性好，油淬達到60mm（95%馬氏體）。用於製造振動載荷下的重型汽車彈性軸及扭力軸等。