調質合金結構鋼

調質合金結構鋼(quenched and tempered steel)
適合於淬火硬化和高溫(500～650℃)回火後使用的合金結構鋼。簡稱調質鋼。調質鋼為低、中合金結構鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、37SiMn2MoV、18Cr2Ni4w等。這類鋼在調質(淬火+高溫回火)狀態具有強度、塑性和韌性的良好配合，即具有良好的綜合力學性能。其使用狀態的顯微組織多為由再結晶後的細晶鐵素體基體和分布其內的彌散粒狀碳化物組成的回火索氏體。常用於製造各種機械產品中要求良好綜合力學性能的各類重要部件，如工具機主軸和汽車半軸等軸類件、連桿、高強度螺栓及高強度錨螺等。
化學成分 調質鋼的化學成分設計主要考慮：(1)元素對鋼的淬透性(決定鋼獲得淬硬層厚度的能力)的影響。因為調質鋼要獲得良好綜合力學性能的回火索氏體組織，首先要獲得淬火馬氏體組織。若淬透性不足，鋼件淬火後就不能獲得足夠深度的淬硬層，在這種情況下即使回火後硬度合格，其他力學性能也將顯著下降。鋼件的尺寸和形狀不同、受力狀態不同，所要求的淬透性也不同。(2)元素對強度的影響。調質狀態下鋼的強化機制主要包括：鐵素體的固溶強化、細晶強化和碳化物相的彌散強化，鋼中合金元素主要通過這幾種機制影響調質狀態鋼的強度。(3)元素對韌性的影響。包括對基體韌性，對高溫回火脆性(第二類回火脆性)的誘發或抑制作用。
調質鋼中碳含量的選擇同時考慮了其對淬透性、強度、韌性等多方面的影響，一般在0.25％～0.50％範圍內。碳含量過低不易淬硬，強度偏低；過高則使韌性降低並影響可變形性等工藝性能。只有足夠高的碳含量才能保證調質後鋼中有足夠體積的碳化物以保證彌散強化的效果。當有其他保證淬透性和強度的合金元素存在時，調質鋼中碳含量可適當降低以獲得儘可能高的韌性(如18Cr2Ni4W)和改善焊接性(如用於製造可焊高強度鋼板的調質鋼)。
調質鋼中常見合金元素包括鉻、鎳、錳、矽、鉬、鎢、釩和硼等。其中鉻、錳、鎳、矽、硼等可以增大調質鋼的淬透性，尤其當複合加入時效果更好。矽、錳、鎳等固溶於鐵素體基體中，從而提高調質後的鋼的硬度和強度。碳化物形成元素釩、鎢、鉬、鉻等能阻止高溫回火時碳化物的聚集長大，增強彌散強化的效果。鉬的主要作用在於抑制合金調質鋼高溫回火時發生第二類回火脆性，多用於較大截面調質件用鋼，其含量一般為0.15％～0.30％。加入微量釩(≤0.12％)可在鋼中形成彌散度很高的特殊化合物(如vN等)，在淬火加熱時有阻礙奧氏體晶粒長大的作用。鎳(<4.5％)和錳(<1.4％)有利於改善調質狀態鋼的衝擊韌性，降低鋼的脆性轉化溫度，尤其鎳的效果為最佳。鋼中加入微量稀土元素起細化晶粒、改變非金屬夾雜物形態、脫硫、脫氧、去氫及改善高溫回火脆性等作用，有利於改善調質鋼韌性。強氮化物形成元素鋁主要用於氮化用調質鋼(如38CrMoAlA)，加速氮化過程，獲得很高硬度的氮化層。
鋼中的雜質，尤其是磷對調質鋼的衝擊韌性危害甚大，故調質鋼中含磷量應儘可能低，一般應小於或等於O．040％(優質鋼)或≤O．035％(高級優質鋼)，甚至更低。
熱處理 調質處理即淬火加高溫回火，有些調質件在調質處理後還要進行表面淬火或氮化處理以提高表面硬度、耐磨性和疲勞強度等。
調質鋼淬火的目的在於獲得足夠深度和數量的馬氏體組織(即“淬透”)，以保證高溫回火後，獲得良好的綜合力學性能。雖然淬透和未淬透的鋼高溫回火後可獲得類似的硬度、抗拉強度和延伸率，但前者的屈服強度、斷面收縮率和衝擊韌性要明顯高於後者。
調質鋼淬火加熱溫度大都為820～900℃，具體溫度視鋼的成分而定。硼鋼的淬透性對淬火溫度的變化十分敏感，更應嚴格按規定溫度淬火加熱。除淬透性偏低的調質鋼要求水淬外，絕大多數調質鋼均採用油作為淬火介質，個別的可淬後空冷。
高溫回火用於消除淬火應力、增加韌性和調整強度，是使調質鋼綜合力學性能最後定型的最重要工序。回火工藝的選擇主要應考慮：(1)通過調整回火溫度和時間以獲得所需要的最終性能；(2)避免第二類回火脆性。
每一種調質鋼淬成馬氏體後採用不同溫度回火至不同硬度後具有不同的強度和韌性。根據不同調質件的具體技術要求，同一牌號可以選擇不同的回火溫度。應當注意到，同一種鋼調質後的強度愈高，則其常溫衝擊韌性愈低，雖然處於低溫冷脆狀態時不同強度對應的韌性趨於一致。
調質鋼的一個特殊問題是高溫回火脆性(第二類回火脆性)問題，表現為某些鋼(如含錳鋼、含鉻鋼、高磷鋼，尤其是鉻-錳鋼、矽-錳鋼、鉻-鎳鋼、鎳-鉻-釩鋼等)高溫回火緩慢冷卻後的室溫衝擊韌性明顯低於快速冷卻的韌性，鋼的脆性轉變溫度升高，但在鋼的硬度、抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率和伸長率等方面快冷和慢冷並無明顯差異。
調質鋼最易發生高溫回火脆性的溫度範圍為450～600℃。在此溫度範圍以內或以上回火後緩冷可導致鋼的脆化，但回火後快速冷卻(水冷或油冷)則可避免。為避免發生或儘可能減輕高溫回火脆性，可採用如下措施：(1)避免在脆化溫度範圍內回火；(2)回火後採用油冷或水冷(快冷至脆化溫度區之下再緩冷亦無妨)；(3)無法採取上述措施的調質鋼件應採用含鉬鋼種，並儘可能降低鋼中磷、錫、銻、砷等雜質；(4)利用第二類回火脆性的可逆性，將已感受高溫回火脆性的鋼重新加熱至脆化溫度區以上回火後快冷可使鋼恢復至韌性狀態。
將調質鋼淬火後進行中溫回火，可獲得更高的強度和適當的塑性、韌性。
套用 低淬透性調質鋼(如40Cr、40MnB等)調質後在衝擊韌性相當時，其強度比調質碳鋼的高，常用於製造承受中等負荷和中等速度工作條件下中等截面的機械零件，如汽車的轉向節、後半軸及工具機上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等。其中40Cr為最常用的一種調質結構鋼，而40MnB、35SiMn、40MnVB等淬透性類同的鋼則常可代40Cr鋼使用。此類鋼一般油淬即可，油淬臨界直徑為30～40mm；少數牌號仍需水淬(如40Mn2)。
中等淬透性的調質鋼，如35CrMo、40CrNi、40MnMoB和38CrMoAlA等，油淬臨界直徑達40～60mm，可用於製造截面較大及承受較重載荷的調質鋼件。例如，35CrMo可用於製作高負荷下工作的重要結構件，特別是受衝擊、震動、彎曲、扭轉負荷的部件，諸如高負荷傳動軸、發動機傳動部件、大電機軸、汽輪發電機主軸和轉子、軋鋼機人字齒輪、曲軸、連桿、緊固件等，或代40CrNi鋼製作大截面齒輪、汽輪發電機轉子、直徑小於500mm的支承軸等；38CrMoAlA為高級氮化鋼，主要用於具有高耐磨性、高疲勞強度和相當高的強度、熱處理後尺寸精確的氮化件或各種受衝擊負荷不大而耐磨性要求較高的氮化件等。
高淬透性調質鋼，如40CrNiMoA、40CrMnMo、37SiMn2MoVA、18Cr2Ni4WA等，其油淬臨界直徑大於60～100mm，調質後可獲得高強度和高韌性的良好配合(例如，調質後40CrNiMo鋼的抗拉強度和室溫衝擊韌性可分別達1000MPa和100J／cm2)，可用作要求韌性好、強度高及大尺寸的承受高負荷的重要調質件，常用於中型或重型機械、機車和重載卡車的軸類、連桿、緊固件等。其中18Cr2Ni4WA鋼既是高級調質鋼又是高級滲碳鋼，調質態使用時用於製造承受重載荷和振動的高強度零件，或調質後再經氮化處理用作高速大功率發動機曲軸等重要部件。
選用調質結構鋼時應按調質件實際截面大小和所需的力學性能及鋼的淬透性選材。應當注意到，隨著工件尺寸增大，同一種鋼調質後強度隨之降低，從而不能根據小尺寸試樣測定的力學性能指標(如許多標準規定的力學性能指標)用於大尺寸零件的強度計算。
調質鋼經調質處理後可獲得良好的綜合力學性能，但亦有其不盡完美之處。例如，未能充分利用馬氏體的精細結構強化作用和碳化物對鐵素體的彌散強化作用；要求較高碳含量以保證其調質後強度；淬火和高溫回火兩次加熱耗能多、周期長，增加了熱處理變形和表面氧化脫碳等機會。從而，有時調質鋼種並不經調質處理，而是經淬火、低溫回火後使用。如40CrNiMoA鋼經淬火低溫回火或等溫淬火後即可用作超高強度鋼，37SiMn2MoV鋼亦類似。另外，在某些特定用途中則有可能採用熱加工後不需熱處理或僅需正火的“非調質鋼”或淬火一低溫回火的低碳馬氏體鋼替代調質鋼，以簡化工藝、降低能耗和減少熱處理導致的缺陷。