0   引言

相较传统离线热处理，合金钢棒材(Φ40~150 mm)在线淬火-回火工艺后，直接省去淬火再加热，可缩短生产流程，节约能源，提高生产效率，降低生产成本^[1]。材料学方面，轧后直接淬火时加热温度较高，合金元素均匀固溶，淬透性高，能更好的挖掘材料潜能。有研究指出^[2-3]，与普通热处理相比，进行淬回火热处理后的材料硬度增幅约10%，抗拉强度增幅约3%~ 10%，伸长率增幅约10%~40%，冲击韧性增幅约20%~30%，回火抗力好，强化效果可达600 ℃以上。

棒材在线热处理主要包括热轧、在线淬火和回火^[4-5]。轧前加热制度，开轧温度，轧制工艺，冷却参数，冷却水温度，终冷温度等工艺参数对棒材表面回火索氏体，芯部铁素体+珠光体组织，轧材最终韧性、塑性和焊接性，淬硬层深度有显著影响。轧材热应力情况及淬火裂纹倾向，是在线淬回火工艺的主要关注缺陷。

为研究淬回火热处理工艺，对低合金钢棒材温度演变、相类别及组织、力学性能影响的机理，选用用途广泛的典型低合金钢钢种45#钢和40Cr钢，采用热处理试验、组织性能检测、有限元模拟等，进行了合金(优质)钢棒材(Φ40~150 mm)在线淬火-回火处理研究。

1   试验材料及方法

试验材料选取具有代表性的中碳钢45#钢、低合金钢40Cr钢为研究对象，化学成分如表 1所列。

表  1  45#钢和40Cr钢成分

Table  1.  Compositions of 45# and 40Cr steel

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试验合金钢棒材规格取Φ50 mm×100 mm，淬火介质取浓度10% NaCl溶液。为获得试样表面到芯部冷却曲线，沿试样径向方向钻出若干个不等间距、直径为2.5 mm小孔，深度为试样长度一半，热电偶分别埋在小孔内，记录温度变化曲线。试验装置如图 1所示。

图  1  试验装置

Figure  1.  Experimental devices

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淬回火试验中，试样在如图 1(b)中的加热和保温炉中，以5 ℃/s加热到900 ℃保温60 min全奥氏体化，在设计的水冷装置下以一定压力和流量在不同淬火介质中冷却(图 1(c))，取出试样进行一段时间回复后，再快冷到室温。对试样进行硬度和金相组织检测，分析时间-温度曲线，对得到的淬回火试验钢，制成直径80 mm试样，按GB/T 228.1-2010，用QX-W5502万能拉伸试验机进行力学性能测试。

2   试验结果与分析

2.1   试验钢淬火金相组织和临界冷速

根据Φ50 mm45#钢和40Cr钢在10% NaCl溶液中淬火试验，得到了表-芯不同位置处冷却速度，及硬度分布，结果如图 2所示。

图  2  表面温度-时间检测曲线和试验钢淬火时的冷却速度及硬度分布

Figure  2.  Cooling rate and HRC distribution of steel during quenching

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由图 2(a)和图 2(b)可见，随着距淬火层表面厚度增加，45#钢和40Cr钢的冷却速度逐渐降低，45#钢冷却速度曲线整体更大，曲线更为陡峭，两种试验钢硬度在表-芯不同位置的变化与冷却速度变化曲线类似。

对应的45#钢淬火后转变产物由表面到芯部分布的金相组织，如图 3所示。

图  3  试验用45#钢淬火后的金相组织

Figure  3.  Microstructure of quenched 45# steel

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由图 2(a)可知，随着试样表面到中心距离增加，硬度减小，结合图 3试验钢淬火后金相组织可见，随着距表面深度增加，由于冷却速度开始显著降低，马氏体含量减少，珠光体和铁素体等增多，距试样表面4.8 mm处马氏体组织体积分数约50%。一般45#钢淬硬层HRC硬度标准为42.5，通过区域硬度标定，绘制曲线，得出距淬火表面4.8 mm处HRC硬度值约为42.5，由此Φ50 mm45#钢10%NaCl溶液中淬火淬硬层深度为4.8 mm，对应的淬火临界冷速约为72 ℃/s。

对应的40#钢淬火后转变产物由表面到芯部分布的金相组织，如图 4所示。

图  4  试验用40Cr钢淬火后的金相组织

Figure  4.  Microstructure of quenched 40Cr steel

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由图 2(b)和图 4可知，40Cr钢淬火后硬度的表层到中心分布情况，以及金相组织变化与45#相似。由图 4可见，随距表面深度增加，冷却速度开始显著降低，导致马氏体含量减少，珠光体和铁素体等增多，距表面18 mm处马氏体组织体积分数约50%。取40Cr钢淬硬层硬度标准为42 HRC(对应试验中淬火表面18 mm处)，结合实测温度变化曲线，得出淬火样冷却速度(临界冷速)约16 ℃/s。

2.2   淬火钢回火过程中的金相组织

对淬火样进行600 ℃高温不同时间回火，经取样-抛光-腐蚀，得到45#钢的金相组织如图 5，40Cr钢的金相组织如图 6所示。

图  5  试验钢(45#)淬火—回火后显微组织(500倍)

Figure  5.  Microstructure of 45# steel after quenching and tempering (500×)

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图  6  40Cr钢淬火—回火后的显微组织(500倍)

Figure  6.  Microstructure of 40Cr steel after quenching and tempering (500×)

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由图 5和图 6可见，2种试验钢在600 ℃回火保温过程中板条、位错、碳化物析出尺度上发生明显变化，从宏观金相组织上可见，5 min和10 min保温时间，显微组织中的碳化物和组织分布都不均匀，到20 min后，碳化物弥散度显著，组织也较均匀。淬火后合金钢回火过程，宏观金相的变化，源自微观组织如板条马氏体、位错、碳化物析出尺寸的演变，这对材料力学性能产生显著影响^[6]。研究表明，高温回火中，渗碳体将逐渐聚集长大，回火温度越高，渗碳体颗粒也越大，450 ℃以上，铁素体回复作用增强，马氏体板条形态逐渐变为多边形。对于40Cr这类添加碳化物形成元素的低合金钢中，合金元素获得了足够扩散能力，以细小碳化物析出，渗碳体需部分回溶为其提供碳元素^[3]。随回复程度的进行，板条内位错组态也有明显变化，原来的位错胞状亚结构通过胞壁规整发展成铁素体亚晶，一些紊乱缠绕的位错也逐渐有序化，排列成网络状或半网络状态，这种组态使位错有最低的能量，稳定性高^[5]，降低了淬火钢材料强度，而提高了韧性。

2.3   淬火/回火后试验钢的性能分析

为得到淬火、淬火-回火后钢的综合机械性能，找出热处理后的硬度与抗拉强度、屈服强度、断面收缩率和延伸率之间的关系，对试验钢进行了拉伸试验，结果如图 7所示。

图  7  淬火及回火试样各项指标对比

Figure  7.  Comparisons of quenched and tempered samples

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对比图 7(a)中曲线1和曲线3、曲线2和曲线4可知，淬火样强度远大于回火。棒材淬火后的截面，在沿径向不同深度处的抗拉及屈服强度波动较大，回火后试样强度明显降低，内外强度更加均匀，主要是试验钢棒材淬火过程时间短，表面的冷却条件在紊流冲击下差别较大，导致沿径向同截面深度各区冷却速度不均，而回火过程时间长，相和组织转变充分所致。塑性指标方面(对比图 7(b)中曲线1和曲线3、曲线2和曲线4可知)，回火后断面收缩率与断后伸长率显著增加，均匀性强。

2.4   合金钢淬/回火过程中温度和热应力演变的有限元分析

合金钢棒材淬火中，棒材截面上冷却和相变过程有不均匀和不同时性，棒材不同部位体积和形状上变化差异，引起相互束缚，产生不同的应力场，导致的淬火应力，是使得棒材在淬火中产生裂纹的主要原因^[7-8]。随冷速增加，棒材内主要有2种内应力，一是温差引起的热应力，一是组织转变不均匀、不同时形成的组织应力。这2种应力在淬火过中相互叠加、消除，最终形成残余应力。

棒材在线淬火时的内应力，属热弹性问题。本文通过Marc建立合金钢温度场模型，水冷换热系数取自试验中表层温度变化曲线数据反算得到，得到温度演变的有限元模型后再耦合应力场，典型的45#钢淬火热应力结果如图 8、图 9所示。

图  8  45#钢淬火中温度变化仿真

Figure  8.  Simulation of temperature change of 45# steel during quenching

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图  9  45#钢在线淬火结束后的残余应力分布

Figure  9.  Residual stress distribution after on-line quenching of 45# steel

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结合图 8、图 9可知，刚开始淬火时，表面冷速大，芯部冷速由于热阻作用，远低于表面。由于热胀冷缩，表面收缩为拉应力，芯部为压应力。随淬火进行，表面温度急速下降使表层部分温度差急速扩大^[9-12]。图 9表明，沿X轴表面切向应力迅速上升到400 MPa，轴向应力迅速上升达到600 MPa，处于拉应力；芯部径向应力迅速下降到100 MPa，轴向应力下降到60 MPa，使芯部处于压应力。随着表面温度接近冷却水温度，表层温差逐渐缩小，靠近表面冷速降低，棒材表面拉应力减小，当棒材淬火时间达到18 s时，表面拉应力下降为0，成为由拉应力转变成压应力的转折点^[13-16]。随后由于淬火的继续，表面压应力迅速增大，淬火时间到60 s时，棒材内外温度接近冷却水温度，冷速趋同，应力变化趋缓。棒材芯部应力变化与表面相反，由淬火开始时的压应力向拉应力转变^[17-20]。淬火结束后，由于主要受淬火温差影响，最终棒材表面受压应力，芯部受拉应力。不同钢种和规格规律相似^[21-24]。

3   结语

合金钢棒材的在线淬火-回火工艺，有缩短生产流程，节约能源，提高生产效率，降低生产成本的显著优势。本文针对典型的45#钢和40Cr钢棒材，采用热处理试验、组织性能检测、有限元模拟等方法，进行了相关研究，得出的主要结论如下：

1) 按HRC42.5标准，45#钢淬硬层深度约4.8 mm，临界冷速约72 ℃/s；按HRC42标准，40Cr钢淬硬层深度约18 mm，临界冷速约16 ℃/s。

2) 淬火钢高温回火中，组织变化显著，600 ℃高温回火保温20 min后，钢中碳化物分布较为弥散，强塑性和沿横截面均匀性得到显著改善。

3) 不同合金钢和规格棒材淬火中热应力变化情况相似，由于表面冷速和材料内部热阻的共同影响，受力状态表层先拉后压，心部与此相反。