亞溫淬火溫度對(duì)45鋼組織和性能的試驗(yàn)研究*

賈金鳳，甘春天，牛澤鵬，肖榮振，陳洪偉

(1.蘭州理工大學(xué) 技術(shù)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730300; 2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司昆明維搶修分公司 蘭州搶修中心，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

亞溫淬火，加熱溫度在AC1～AC3之間，即將亞共析鋼加熱到奧化體和鐵素體兩相區(qū)后進(jìn)行淬火的工藝[1]。亞溫淬火的優(yōu)點(diǎn)主要有：節(jié)省熱源消耗，減少原材料損耗，使淬火組織中保留有部分未溶鐵素體。既保證了硬度，減少了變形，又防止了裂紋。亞溫淬火后的材料可形成鐵素體-馬氏體組織，綜合性能良好，從而拓寬了材料的使用范圍[2]。

45鋼為含碳量0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，常用于制造較高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)零部件，如軸、活塞、葉輪、齒條等[3]。但45鋼的淬透性較低，在水淬時(shí)具有開(kāi)裂傾向。因此運(yùn)用亞溫淬火理論來(lái)改善提高45鋼的綜合性能，對(duì)提高零件質(zhì)量、安全穩(wěn)定性具有重要意義[4-5]。筆者選用45鋼為研究對(duì)象，分析了其在不同亞溫淬火溫度下的組織、性能的變化，為45鋼亞溫淬火提供參考依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)方法

以Φ10 mm×200 mm的45鋼棒材為試驗(yàn)原材料。其主要化學(xué)成分(wt%)如表1所列。

表1 45鋼化學(xué)成分(wt%)

亞溫淬火前，進(jìn)行正火預(yù)處理。正火工藝為：將試樣加熱到840 ℃后，保溫60 min，空冷。亞溫淬火工藝為：將正火后的試樣加熱到亞溫淬火溫度后，保溫60 min，水冷?；鼗鸸に嚍椋簩⒋慊鸷蟮脑嚇蛹訜岬?00 ℃，保溫180 min，空冷。亞溫淬火溫度分別為：730 ℃，740 ℃、750 ℃、760 ℃、770 ℃，每組3個(gè)試樣。金相試樣的尺寸為：Φ10 mm×20 mm，參考國(guó)標(biāo)GB6397-86，沖擊韌性試樣如圖1所示。拉伸試樣如圖2所示。

圖1 沖擊韌性試樣

圖2 拉伸試樣

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

采用4%濃度硝酸酒精腐蝕液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間：15 s，用清水沖洗。在型號(hào)為MEF-3萬(wàn)能金相顯微鏡下觀(guān)察，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度45鋼亞溫淬火+回火金相圖片

由圖3(a)、3(b)可知，在奧氏體化過(guò)程中，滲碳體中的碳沒(méi)有完全過(guò)度到鐵素體中，奧氏體化程度較低。主要原因是溫度過(guò)低，擴(kuò)散動(dòng)力不足。致使回火馬氏體量少且形狀大小不一、分布不均。隨著溫度的上升，組織中鐵素體含量逐漸減少，馬氏體含量不斷增加，回火馬氏體不斷增多且分布也變得均勻[6]。由圖3(e)可知，組織中出現(xiàn)了大量板條馬氏體，主要原因是隨著溫度的提高，馬氏體的形態(tài)與奧氏體的成分相關(guān)，淬火溫度越高，奧氏體成分趨于均勻，板條馬氏體數(shù)量隨之增加[7]。板條馬氏體可以使材料具有很好的強(qiáng)度、硬度和塑韌性。

運(yùn)用Image-pro plus 6.0軟件對(duì)金相組織中馬氏體含量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖4所示。經(jīng)計(jì)算，730 ℃、740 ℃、750 ℃、760 ℃、770 ℃亞溫淬火后組織中的馬氏體含量分別為：11.586 7%、26.085 1%、56.445 0%、76.624 8%、79.086 0%。但由于亞溫淬火溫度低于傳統(tǒng)淬火溫度，奧氏體在共格相變過(guò)程中會(huì)形成一些碳含量較大的片狀珠光體，且受軟件參數(shù)局限，這樣的組織可能被誤認(rèn)為馬氏體，故測(cè)量值較實(shí)際值，整體有所偏高。但不影響其規(guī)律即：亞溫淬火所得馬氏體含量隨著溫度的升高而增加，鐵素體含量逐漸減少[7]。

圖4 Image-pro plus 6.0軟件對(duì)金相組織中馬氏體含量測(cè)量結(jié)果

2.2 力學(xué)性能分析

(1)硬度分析

采用型號(hào)為HD-150的洛氏硬度計(jì)，對(duì)每組試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，每組試樣共3個(gè)，測(cè)量后取平均值。所得結(jié)果如圖5所示。可知，隨著淬火溫度升高，硬度也隨之升高。770 ℃淬火時(shí)硬度達(dá)到51.0 HRC。

圖5 不同溫度45鋼亞溫淬火+回火硬度值

(2)拉伸性能分析

采用型號(hào)為100D的微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度分析，結(jié)果如表2所列?？芍S著淬火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度逐漸增大，750 ℃亞溫淬火時(shí)延伸率最大。主要是因?yàn)榻M織內(nèi)回火板條馬氏體、回火針狀馬氏體和鐵素體綜合作用的結(jié)果。板條馬氏體具有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑性。針狀馬氏體則強(qiáng)度、硬度很高，但塑性很低。

表2 不同溫度下亞溫淬火最大載荷和抗拉強(qiáng)度表

3 結(jié) 論

采用亞溫淬火對(duì)45鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比分析不同亞溫淬火溫度下其微觀(guān)組織和力學(xué)性能，得出以下結(jié)論。

(1)隨著亞溫淬火溫度的上升，45鋼中回火板條馬氏體含量逐漸增多，分布趨于均勻，鐵素體含量逐漸減少。

(2)由于板條馬氏體具有較高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)還具有相當(dāng)高的韌性和塑性。故45鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度等性能隨著淬火溫度的上升逐漸增強(qiáng)。

(3)45鋼通過(guò)亞溫淬火內(nèi)部組織良好、綜合性能優(yōu)異，可以為制作性能優(yōu)異的零部件提供參考依據(jù)。