1、2023年 第9期 热加工98热 处 理Heat Treatment45钢模锻活扳手热处理缺陷分析及工艺优化倪建光威海职业学院 山东威海 264210摘要：针对生产厂商提供的模锻活扳手结构特点，以及所选用45钢的热处理特性，分析了活扳手在某些特殊部位产生开裂、硬度不足及软点等缺陷的原因，优化了该活扳手的常用淬火工艺，并制定采用多用炉碳氮共渗等多种热处理工艺方法来满足企业的技术需求。关键词：双液淬火；分级淬火；多用炉碳氮共渗1 序言某五金手动工具生产厂在对其主打产品之一活扳手进行热处理时产生了多个缺陷，45钢活扳手在自动化模锻锤上锻造后，多个部位容易在热处理过程中出现淬裂倾向，且在模锻活扳手头部
2、关键的受力部位出现硬度不足及局部软点等缺陷。针对生产厂为解决这些缺陷而提出的技术问题，本文从双液淬火工艺、分级淬火工艺、多用炉碳氮共渗等多种热处理工艺方案提供技术支持，满足企业生产需要。根据生产厂提供寻求技术支持的信息可以看到，模锻活扳手外形尺寸虽然不大，但局部形状较为复杂，且容易出现碎裂的部位其截面尺寸都较基金项目：2022年威海职业学院科研项目企业产品活动扳手热处理面临难题解决方案（WZKJ2022-042）。就开始出现了板形波动，对于自然冷却的时间长短来说已无实际意义，而同规格的低碳钢正火温度在870左右，则不会出现这种情况，因此冷却时长并不影响冷矫率。但是，对于厚度20mm的铬钼钢出现
3、的冷矫率有下降趋势，但没有完全消失，现场跟踪及观察后发现同样存在类似情况，说明铬钼钢的热处理板形攻关是极具代表性的，该成分的钢种炉后板形控制主要问题仍然是如何控制出炉时的组织应力和热应力，防止应力不均匀和较大内应力产生，这是改善板形的重点方向。4 结束语通过对不同试验温度下正火的铬钼钢正常回火后并取样检测金相及力学性能，发现金相组织无明显异常，屈服强度、抗拉强度、冲击吸收能量、模拟焊后等均无不合格项，因此将620mm的铬钼钢正火温度降低20，可极大地降低正火炉的生产压力，减少铬钼钢板的热处理成本，缩短了该规格钢板的交货周期。经过两个月的尝试和不断改进，我公司某板材厂铬钼钢板的平均冷矫率从之前的
4、15%左右降到了2%以内，而厚度620mm规格铬钼钢板冷矫率则从6月份的41.65%降到了5%以内，且热处理炉后冷矫工序量和钢板倒运量明显降低。在冷矫率攻关过程中，热处理钢板的来料板形监控、正火入炉升温速率和在炉温度控制、保温时间控制，以及出炉板形监控模式等都上了一个新的台阶。参考文献：1 曹开宸中板成材率影响因素及其对成本的影响分析J轧钢，2004（3）：56-59.2 王国栋中国中厚板轧制技术与装备M北京：冶金工业出版社，2009.3 崔风平，孙玮，刘彦春，等中厚板生产与质量控制M北京：冶金工业出版社，2008.4 钱亚军，余伟，武会宾，等热处理对1000MPa级工程机械结构用钢组织和性能
5、的影响J北京科技大学学报，2010，32（5）：599-604.202307032023年 第9期 热加工99热 处 理Heat Treatment小。而头部淬硬层浅及头部边缘3mm以外硬度偏低且易有软点的部位，其厚度又明显大于扳手的手柄部分。2 活扳手热处理缺陷情况描述45钢活扳手有易碎倾向部位如图1图3所示，硬度偏低且易有软点部位如图4所示。（2）淬火冷却介质 理想的淬火冷却在过冷奥氏体不稳定温度区应快冷，以防止过冷奥氏体分解。在其他温度区特别是在马氏体转变的温度区应慢冷，以减少热应力和相变应力，从而减小变形和开裂。水作为淬火冷却介质，虽然经济且冷却能力较强，但其冷却能力在550650内不
6、够大，而在200300内又偏大，冷却特性不够理想，因此可用盐水作为淬火冷却介质来改善水的冷却能力1。4 工艺措施由缺陷原因分析可知，通过优化工艺，保证合适的淬火温度，减小活扳手在淬火时不同厚度部位及危险截面处的温度差，以及采用合适的淬火冷却介质，都是解决上述缺陷的工艺方法。4.1 双液淬火工艺双液淬火的实质是将加热好的工件，先投入一种冷却能力较强的淬火冷却介质中，使其在高温区冷却速度大于临界冷却速度，以保证奥氏体不分解。在低温区将工件迅速转入另一种冷却能力较弱的淬火冷却介质中，以减缓冷却，从而减少工件内外温差，达到减小内应力的目的，可有效防止变形和开裂。双液淬火的关键参数是准确掌握工件在冷却能
7、力较强淬火冷却介质中的冷却时间，双液淬火工艺操作复杂，需具有较强的实践经验，特别是预冷时间和在冷却能力较强淬火冷却介质中时间的掌握，往往需要在试验或实践中获得准确时间参数2。（1）预冷 其目的是降低边角处温度，防止淬火冷却时形成裂纹。实践操作中常以读秒方式精确到秒。将加热好的活扳手从加热炉中取出进行预冷。预冷时间为2.53s/mm，按淬火工件有效厚度确定停留时间。当有效厚度为1520mm时，停留时间约45s。生产厂商提供的12in（1in25.4mm）活扳手试验得到预冷时间为36s。预冷时间是关键参数，以有效厚度为依据在实践中得到准确的预冷时间。另外，预冷时间还与环境温度有关，不同季节的环境温
8、度不同，应根据实践经验来实际调整。（2）盐水冷 采用浓度5%15%的盐水，使用温度一般60，正常使用一般在30左右。预冷后将活扳手浸入配制好的盐水中。根据工件有效厚度要求，确定水冷时间，不同大小活扳手的水冷时间不同，分别以12in、15in、18in共3种活扳手试验测得图1方孔尖角及尾孔外圆部位图3大眼下边缘抛磨部位图2大眼及大眼与小眼连接部位图4头部边缘部位3 产生缺陷的原因分析企业本着满足产品性能要求，选择性价比较高的材料为原则，对于某些活扳手选用45钢作为材质。由于45钢合金元素含量低、淬透性差，因此对于有些产品采用现有的工艺会出现淬硬层浅、硬度不足、软点及淬裂等问题，其影响因素如下。（
9、1）淬火温度 若淬火温度低，保温时间不充分，则淬火后组织含有大量铁素体，造成硬度偏低、淬硬层浅，同时形成软点。若淬火温度高，保温时间充分，则会形成粗大组织，当淬火冷却介质冷却速度足够大时，淬火后易在边角、尖角位置出现裂纹1。2023年 第9期 热加工100热 处 理Heat Treatment水冷时间分别为4s、4.5s、5s。淬火后的硬度范围为4852HRC，水冷时间需根据硬度值要求调整。（3）油冷 盐水冷却后，迅速将工件浸入油中，在油中冷却到室温，然后回火。双液淬火的要点是空中预冷、盐水淬火、油中缓冷。通过预冷使活扳手不同厚度部位及危险截面处都能达到合适的淬火温度，防止在盐水中淬火时出现裂
10、纹。在盐水中淬火得到所需要的硬度，在油中缓慢冷却减少内应力，可有效防止变形和开裂3。4.2 分级淬火工艺分级淬火的特点是将加热好的工件先放入一定温度的碱浴或盐浴中，待工件表面与心部温度趋于一致后再取出空冷。分级淬火的优点是减少了工件内外温差引起的热应力，工件整个截面几乎同时发生马氏体转变，从而降低了组织应力，对防止变形和开裂很有作用，适用于对控制变形要求高和形状复杂的工件。缺点是受碱浴或盐浴冷却能力的限制，一般只能用于尺寸较小的工件。（1）操作步骤 将活扳手加热到（8205），预冷40s浸入温度为140170的碱浴中。在碱浴中停留30min，待工件表面与心部温度基本一致后再取出空冷。（2）操作
11、技巧 活扳手浸入碱浴时需向碱浴中通入具有强烈搅拌作用的压缩空气，使碱浴溶液温度均匀。在实践操作中，压缩空气通入时间为8min即可，不同体积和不同数量的工件浸入碱浴溶液需通入压缩空气的时间不同，且与碱浴溶液体积有关。（3）碱浴配制 KOH为85%、NaNO3为5%7%、水6%7%，碱浴使用温度140170。4.3 多用炉碳氮共渗工艺随产量和质量提升，劳动强度降低，热处理生产环境改善，以及环保质量评估等要求的提高，满足大批量生产、自动化及数字化等热处理生产效率高且质量稳定要求的热处理设备和先进工艺在生产上的广泛应用，多用炉碳氮共渗快速光亮淬火油的热处理方法4，可提高工件表面质量，满足生产企业提出的
12、技术要求。（1）多用炉碳氮共渗工艺 热处理设备采用UBE600多用炉，淬火冷却介质选用NHB快速光亮淬火油，使用油温80。选用合理的工装夹具，满足活扳手交叉摆放的入炉要求。UBE600多图5多用炉碳氮共渗工艺曲线用炉碳氮共渗工艺曲线如图5所示。（2）参数选择 油冷30min，沥油30min，搅拌速度选择中速搅拌，NHB油温度为80。UBE600多用炉气氛：丙烷（C3H8）810L/min（控制通入），平衡空气35L/min（控制通入），甲醇（CH3OH）2040L/min，烧炭黑34L/min，氨气（NH3）3L/min（碳氮共渗时通入）5。工件进炉前需双人确认程序。5 结束语通过双液淬火和分
13、级淬火工艺，控制预冷及在淬火冷却介质中的时间参数，以及在实际操作过程中的经验与技巧，能有效解决活扳手个别部位淬裂、硬度不足与淬硬层浅等缺陷。多用炉碳氮共渗工艺参数的准确选择及多用炉气氛的控制也能有效解决此等缺陷问题。该活扳手虽然较小且属常见工具，但其结构特点在淬火中出现的缺陷具有典型性，对解决此类结构特点的工件有一定的实际意义和应用价值。参考文献：1 王忠诚热处理常见缺陷分析与对策M北京：化学工业出版社，2008.2 孙 国 进，郜 志 文，崔 效 炎，等 双 液 淬 火 对9Cr2Mo钢辊皮组织与硬度的影响J金属热处理,2022，47（3）：88-91.3 刘宗昌钢件的淬火开裂及防止方法M北京：冶金工业出版社，2008.4 陈永勇可控气氛热处理M北京：冶金工业出版社，2008.5 于铁生，李学东，闫钧，等高温可控气氛循环渗碳工艺实践J热处理技术与装备，2012，33（6）：25-31.20230522
