调质合金结构钢(quenched and tempered steel)

介绍

适合于淬火硬化和高温(500～650℃)回火后使用的合金结构钢。简称调质钢。调质钢为低、中合金结构钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、37SiMn2MoV、18Cr2Ni4w等。这类钢在调质(淬火+高温回火)状态具有强度、塑性和韧性的良好配合，即具有良好的综合力学性能。其使用状态的显微组织多为由再结晶后的细晶铁素体基体和分布其内的弥散粒状碳化物组成的回火索氏体。常用于制造各种机械产品中要求良好综合力学性能的各类重要部件，如机床主轴和汽车半轴等轴类件、连杆、高强度螺栓及高强度锚螺等。

化学成分设计

调质钢的化学成分设计主要考虑：

(1)元素对钢的淬透性的影响

(决定钢获得淬硬层厚度的能力)因为调质钢要获得良好综合力学性能的回火索氏体组织，首先要获得淬火马氏体组织。若淬透性不足，钢件淬火后就不能获得足够深度的淬硬层，在这种情况下即使回火后硬度合格，其他力学性能也将显著下降。钢件的尺寸和形状不同、受力状态不同，所要求的淬透性也不同。

(2)元素对强度的影响

调质状态下钢的强化机制主要包括：铁素体的固溶强化、细晶强化和碳化物相的弥散强化，钢中合金元素主要通过这几种机制影响调质状态钢的强度。

(3)元素对韧性的影响

包括对基体韧性，对高温回火脆性(第二类回火脆性)的诱发或抑制作用。

调质钢中碳含量的选择同时考虑了其对淬透性、强度、韧性等多方面的影响，一般在0.25%～0.50%范围内。碳含量过低不易淬硬，强度偏低；过高则使韧性降低并影响可变形性等工艺性能。只有足够高的碳含量才能保证调质后钢中有足够体积的碳化物以保证弥散强化的效果。当有其他保证淬透性和强度的合金元素存在时，调质钢中碳含量可适当降低以获得尽可能高的韧性(如18Cr2Ni4W)和改善焊接性(如用于制造可焊高强度钢板的调质钢)。

调质钢中常见合金元素包括铬、镍、锰、硅、钼、钨、钒和硼等。其中铬、锰、镍、硅、硼等可以增大调质钢的淬透性，尤其当复合加入时效果更好。硅、锰、镍等固溶于铁素体基体中，从而提高调质后的钢的硬度和强度。碳化物形成元素钒、钨、钼、铬等能阻止高温回火时碳化物的聚集长大，增强弥散强化的效果。钼的主要作用在于抑制合金调质钢高温回火时发生第二类回火脆性，多用于较大截面调质件用钢，其含量一般为0.15%～0.30%。加入微量钒(≤0.12%)可在钢中形成弥散度很高的特殊化合物(如vN等)，在淬火加热时有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。镍(<4.5%)和锰(<1.4%)有利于改善调质状态钢的冲击韧性，降低钢的脆性转化温度，尤其镍的效果为最佳。钢中加入微量稀土元素起细化晶粒、改变非金属夹杂物形态、脱硫、脱氧、去氢及改善高温回火脆性等作用，有利于改善调质钢韧性。强氮化物形成元素铝主要用于氮化用调质钢(如38CrMoAlA)，加速氮化过程，获得很高硬度的氮化层。

钢中的杂质，尤其是磷对调质钢的冲击韧性危害甚大，故调质钢中含磷量应尽可能低，一般应小于或等于O．040%(优质钢)或≤O．035%(高级优质钢)，甚至更低。

热处理 调质处理即淬火加高温回火，有些调质件在调质处理后还要进行表面淬火或氮化处理以提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度等。

调质钢淬火的目的在于获得足够深度和数量的马氏体组织(即“淬透”)，以保证高温回火后，获得良好的综合力学性能。虽然淬透和未淬透的钢高温回火后可获得类似的硬度、抗拉强度和延伸率，但前者的屈服强度、断面收缩率和冲击韧性要明显高于后者。

调质钢淬火加热温度大都为820～900℃，具体温度视钢的成分而定。硼钢的淬透性对淬火温度的变化十分敏感，更应严格按规定温度淬火加热。除淬透性偏低的调质钢要求水淬外，绝大多数调质钢均采用油作为淬火介质，个别的可淬后空冷。

高温回火用于消除淬火应力、增加韧性和调整强度，是使调质钢综合力学性能最后定型的最重要工序。

回火工艺选择

主要应考虑：

(1)通过调整回火温度和时间以获得所需要的最终性能；

(2)避免第二类回火脆性。

每一种调质钢淬成马氏体后采用不同温度回火至不同硬度后具有不同的强度和韧性。根据不同调质件的具体技术要求，同一牌号可以选择不同的回火温度。应当注意到，同一种钢调质后的强度愈高，则其常温冲击韧性愈低，虽然处于低温冷脆状态时不同强度对应的韧性趋于一致。

调质钢的一个特殊问题是高温回火脆性(第二类回火脆性)问题，表现为某些钢(如含锰钢、含铬钢、高磷钢，尤其是铬-锰钢、硅-锰钢、铬-镍钢、镍-铬-钒钢等)高温回火缓慢冷却后的室温冲击韧性明显低于快速冷却的韧性，钢的脆性转变温度升高，但在钢的硬度、抗拉强度、屈服强度、断面收缩率和伸长率等方面快冷和慢冷并无明显差异。

调质钢最易发生高温回火脆性的温度范围为450～600℃。在此温度范围以内或以上回火后缓冷可导致钢的脆化，但回火后快速冷却(水冷或油冷)则可避免。

为避免发生或尽可能减轻高温回火脆性，可采用如下措施：

(1)避免在脆化温度范围内回火；

(2)回火后采用油冷或水冷(快冷至脆化温度区之下再缓冷亦无妨)；

(3)无法采取上述措施的调质钢件应采用含钼钢种，并尽可能降低钢中磷、锡、锑、砷等杂质；

(4)利用第二类回火脆性的可逆性，将已感受高温回火脆性的钢重新加热至脆化温度区以上回火后快冷可使钢恢复至韧性状态。

将调质钢淬火后进行中温回火，可获得更高的强度和适当的塑性、韧性。

应用

低淬透性调质钢(如40Cr、40MnB等)调质后在冲击韧性相当时，其强度比调质碳钢的高，常用于制造承受中等负荷和中等速度工作条件下中等截面的机械零件，如汽车的转向节、后半轴及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等。其中40Cr为最常用的一种调质结构钢，而40MnB、35SiMn、40MnVB等淬透性类同的钢则常可代40Cr钢使用。此类钢一般油淬即可，油淬临界直径为30～40mm；少数牌号仍需水淬(如40Mn2)。

中等淬透性的调质钢，如35CrMo、40CrNi、40MnMoB和38CrMoAlA等，油淬临界直径达40～60mm，可用于制造截面较大及承受较重载荷的调质钢件。例如，35CrMo可用于制作高负荷下工作的重要结构件，特别是受冲击、震动、弯曲、扭转负荷的部件，诸如高负荷传动轴、发动机传动部件、大电机轴、汽轮发电机主轴和转子、轧钢机人字齿轮、曲轴、连杆、紧固件等，或代40CrNi钢制作大截面齿轮、汽轮发电机转子、直径小于500mm的支承轴等；38CrMoAlA为高级氮化钢，主要用于具有高耐磨性、高疲劳强度和相当高的强度、热处理后尺寸精确的氮化件或各种受冲击负荷不大而耐磨性要求较高的氮化件等。

高淬透性调质钢，如40CrNiMoA、40CrMnMo、37SiMn2MoVA、18Cr2Ni4WA等，其油淬临界直径大于60～100mm，调质后可获得高强度和高韧性的良好配合(例如，调质后40CrNiMo钢的抗拉强度和室温冲击韧性可分别达1000MPa和100J/cm)，可用作要求韧性好、强度高及大尺寸的承受高负荷的重要调质件，常用于中型或重型机械、机车和重载卡车的轴类、连杆、紧固件等。其中18Cr2Ni4WA钢既是高级调质钢又是高级渗碳钢，调质态使用时用于制造承受重载荷和振动的高强度零件，或调质后再经氮化处理用作高速大功率发动机曲轴等重要部件。

选用调质结构钢时应按调质件实际截面大小和所需的力学性能及钢的淬透性选材。应当注意到，随着工件尺寸增大，同一种钢调质后强度随之降低，从而不能根据小尺寸试样测定的力学性能指标(如许多标准规定的力学性能指标)用于大尺寸零件的强度计算。

调质钢经调质处理后可获得良好的综合力学性能，但亦有其不尽完美之处。例如，未能充分利用马氏体的精细结构强化作用和碳化物对铁素体的弥散强化作用；要求较高碳含量以保证其调质后强度；淬火和高温回火两次加热耗能多、周期长，增加了热处理变形和表面氧化脱碳等机会。从而，有时调质钢种并不经调质处理，而是经淬火、低温回火后使用。如40CrNiMoA钢经淬火低温回火或等温淬火后即可用作超高强度钢，37SiMn2MoV钢亦类似。另外，在某些特定用途中则有可能采用热加工后不需热处理或仅需正火的“非调质钢”或淬火一低温回火的低碳马氏体钢替代调质钢，以简化工艺、降低能耗和减少热处理导致的缺陷。