葛光男，劉 毅，丁軍鋒，李 景，趙 鵬，段振偉

(1. 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

碳鋼調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸類等零部件[1]。碳鋼淬火過程需經(jīng)奧氏體晶核形成、長大、剩余滲碳體溶解、奧氏體均勻化。因此，常規(guī)淬火工藝需保溫足夠的時間?！傲惚亍贝慊鹗侵腹ぜ訜釙r，其心部和表面均達到淬火溫度后不需要保溫立即淬火冷卻的熱處理工藝[2]?！傲惚亍贝慊鹋c傳統(tǒng)的淬火工藝相比，節(jié)省了工件透熱和組織均勻化的時間，節(jié)約了能源消耗，可減少工件保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

研究表明[3-4]，低合金結(jié)構(gòu)鋼由于熱傳導(dǎo)速度很快，用于消除內(nèi)外溫差的時間較短，因此對于有效加熱尺寸不是很大的工件，其透熱溫度所需時間一般可認為很短或為零。國內(nèi)學(xué)者對于截面尺寸不超過φ40 mm的35鋼和45鋼已進行了大量的研究，對于尺寸較大的碳鋼研究較少，為此本文研究“零保溫”熱處理工藝對截面尺寸為φ60 mm的35鋼和45鋼的綜合性能的影響，對實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料和方法

試驗材料為φ60 mm×80 mm的軋制態(tài)35鋼和45鋼，采用直讀光譜儀(0800H070003-2)進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。35鋼和45鋼“零保溫”調(diào)質(zhì)熱處理工藝均采用850 ℃保溫10 min水冷+580 ℃保溫1.5 h空冷?！傲惚亍睙崽幚砗蟀碐B/T 2975標準進行力學(xué)性能取樣。

表1 35鋼和45鋼化學(xué)成分表 單位：%

采用島津AGI-250 kN電子拉力試驗機進行拉伸試驗，采用CBD-300自動擺錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，采用TH-160硬度試驗機進行硬度試驗，采用AXIO光學(xué)顯微鏡進行金相試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 35鋼“零保溫”熱處理性能結(jié)果

φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，取4組試樣進行力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，“零保溫”熱處理之后的35鋼4組抗拉強度最小值為594 MPa，屈服強度最小值為347 MPa，延伸率最小值為23%，斷面收縮率最小值為60%，U型沖擊功最小值為94 J。該結(jié)果表明，經(jīng)“零保溫”熱處理的35鋼的性能完全滿足GB/T 699標準要求。

表2 35鋼“零保溫”熱處理后的力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖1為φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，由表及里硬度變化規(guī)律。由圖可知，表面硬度最高約為178 HBW，心部硬度最低約為150 HBW，心部和表面硬度差約為28 HBW。由于35鋼淬透性較差，淬硬層低于10 mm，因此由表及里硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖1 φ60 mm 35鋼“零保溫”熱處理后由表及里硬度分布規(guī)律

圖2為φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，由表及里金相組織變化規(guī)律。由圖可知，35鋼“零保溫”熱處理后由表及里金相組織均為鐵素體+珠光體，由表及里晶粒尺寸逐漸增加。距表面2～12 mm處的晶粒尺寸增加比較緩慢，距表面13～24 mm處晶粒組織增加較大。該現(xiàn)象由于淬火冷卻過程中，表面冷卻較快，心部冷卻較慢，導(dǎo)致隨著距表面距離的增加組織轉(zhuǎn)變驅(qū)動力逐漸減弱，從而使心部晶粒尺寸增加。

圖2 φ60 mm 35鋼“零保溫”熱處理后由表及里200×金相組織

2.2 45鋼“零保溫”熱處理性能結(jié)果

φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，取4組試樣進行力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，“零保溫”熱處理之后的45鋼4組抗拉強度最小值為719 MPa，屈服強度最小值為466 MPa，延伸率最小值為16%，斷面收縮率最小值為50%，U型沖擊功最小值為56 J。該結(jié)果表明，“零保溫”熱處理的45鋼的性能完全滿足GB/T 699標準要求。

表3 45#鋼“零保溫”熱處理后的力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖3為φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，由表及里硬度變化規(guī)律，由圖可知，硬度最高為195 HBW，心部硬度約為170 HBW，心部和表面硬度差約為25 HBW。表面至8 mm處硬度值比較接近，8～30 mm硬度值逐漸降低。由此可知，45鋼淬透性約為16 mm，超過16 mm后硬度逐漸降低。

圖3 φ60 mm 45#鋼“零保溫”熱處理后由表及里硬度分布規(guī)律

圖4為φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗后，由表及里金相組織變化規(guī)律。由圖可知，45鋼“零保溫”熱處理后由表及里金相組織均為鐵素體+珠光體，由表及里晶粒尺寸逐漸增加。距表面2～8 mm處的晶粒尺寸增加比較緩慢，距表面9～28 mm晶粒尺寸增加較快，心部珠光體尺寸較鐵素體尺寸大。

圖4 φ60 mm 45鋼“零保溫”熱處理后由表及里200×金相組織

3 結(jié)論

(1) 35鋼“零保溫”熱處理后心部和淺表面的熱處理組織均為鐵素體+珠光體，心部組織的晶粒較淺表面粗大。35鋼表面硬度約為178 HBW，心部硬度約為150 HBW。35鋼熱處理后抗拉強度可達到594 MPa，屈服強度可達到347 MPa，延伸率可達到23%，斷面收縮率可達到60%，U型沖擊功可達到94 J。

(2) 45鋼熱處理后心部和淺表面的熱處理組織均為鐵素體+珠光體，心部組織的晶粒較表面粗大。45鋼表面硬度約為195 HBW，心部硬度約為170 HBW。45鋼熱處理后抗拉強度可達到719 MPa，屈服強度可達到466 MPa，延伸率可達到16%，斷面收縮率可達到50%，U型沖擊功可達到56 J。

(3) 直徑不超過60 mm的35鋼和45鋼“零保溫”熱處理后性能完全滿足GB/T 699標準要求，生產(chǎn)中可考慮采用該方法進行熱處理，可節(jié)約能源約30%～40%。