曹 培,張 青
(江蘇南鋼通恒特材科技有限公司,江蘇 南京 210000)
45Mn鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及良好的韌性,其淬透性較40Cr高,正火后可切削性良好,冷拔、滾絲、攻絲和鍛造、熱處理工藝性能較好,高溫下晶粒長大、氧化、脫碳傾向及淬火變形傾向均較小;但有回火脆性,回火穩(wěn)定性比40Cr鋼稍差,一般在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用,用于制造受磨損的零件,如轉(zhuǎn)軸、心軸、曲軸、花鍵軸、連桿、萬向節(jié)軸、嚙合桿、齒輪、離合器盤、螺栓、螺母等[1-3]。王茜等[4]研究了熱處理工藝對45Mn2鋼球力學(xué)性能的影響,利用鍛造預(yù)熱淬火后得到板條馬氏體組織,隨著回火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度降低,沖擊韌性增大。馬春來[5]對25Mn2鋼熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化,水淬金相組織為板條狀馬氏體,隨淬火溫度的升高,板條狀馬氏體逐漸粗大。鄔曉燕等[6]采用不同淬回火工藝處理無變形40Mn鋼帶,對比分析不同淬火溫度、加熱時間和淬火介質(zhì)對轉(zhuǎn)變組織和性能的影響。牛翰卿等[7]對深松鏟材料ZG65Mn進(jìn)行不同參數(shù)的熱處理,對比不同退火溫度和不同回火溫度下ZG65Mn的硬度和沖擊韌性,指出淬火后ZG65Mn組織為板條馬氏體和殘余奧氏體,組織不均勻,需要進(jìn)行后續(xù)的回火處理使組織均勻,以降低內(nèi)應(yīng)力。不同碳含量錳鋼熱處理工藝均有研究,但相較于傳統(tǒng)熱處理方式,利用中頻感應(yīng)對中規(guī)格45Mn鋼棒進(jìn)行熱處理報道較少,且感應(yīng)熱處理由于其高效、節(jié)能、環(huán)保、細(xì)化晶粒顯著、加熱均勻等特點(diǎn)被快速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[8-16]。本文采用中頻感應(yīng)淬火及回火對45Mn鋼棒進(jìn)行熱處理,研究不同工藝條件下45Mn鋼棒的組織及硬度。
實(shí)驗(yàn)用45Mn鋼棒化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):0.42~0.50 C,0.17~0.37 Si,0.7~1.0 Mn,≤0.035 S,≤0.035 P,≤0.25 Cr,≤0.25 Ni。鋼棒直徑為φ40 mm,中頻感應(yīng)熱處理,淬火溫度為870 ℃,水淬;回火溫度為550 ℃,空冷。45Mn鋼棒金相組織為珠光體+塊狀鐵素體,如圖1所示。
圖1 原材料金相組織Fig.1 Metallographic structure of raw materials
使用線切割機(jī)截取鋼棒試樣,打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。采用Lab.A1蔡司金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察,采用HR150DT電動洛氏硬度進(jìn)行硬度檢測。
圖2為870 ℃中頻感應(yīng)淬火后45Mn鋼的金相組織。由圖2(a)可以看出,45Mn鋼經(jīng)過870 ℃中頻感應(yīng)淬火后,從表面到心部組織出現(xiàn)明顯分層,界限清晰,位置1、位置2、位置3分別對應(yīng)淬硬區(qū)、過渡區(qū)和心部熱影響區(qū)。淬硬區(qū)組織為針狀馬氏體,由于感應(yīng)加熱效率高、升溫快,奧氏體晶粒來不及長大,淬火后形成的馬氏體組織細(xì)密均勻,見圖2(b);過渡區(qū)組織為淬火馬氏體+屈氏體,見圖2(c);心部熱影響區(qū)組織為屈氏體+珠光體,見圖2(d)。
導(dǎo)致組織出現(xiàn)分層差異的主要原因?yàn)椴捎弥蓄l感應(yīng)淬火時,在集膚效應(yīng)的影響下,45Mn鋼表層溫度迅速達(dá)到奧氏體化溫度且奧氏體晶粒來不及長大,經(jīng)淬火后迅速冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,相較于傳統(tǒng)淬火工藝得到的馬氏體更加均勻細(xì)密。同時受于透入電流深度的影響,在其極限處升溫速度明顯小于表層,故過渡區(qū)加熱不如表層速度快、溫度高,且淬火時冷卻速度低于表層,因而形成淬火馬氏體+屈氏體混合組織。對于心部熱影響區(qū),由于透入電流深度有限,其組織發(fā)生轉(zhuǎn)變所需熱量主要依靠表層向內(nèi)部熱傳導(dǎo),加熱溫度低、冷卻速度慢形成屈氏體+珠光體的混合組織。
(a)淬火試樣;(b)淬硬區(qū);(c)過渡區(qū);(d)熱影響區(qū)圖2 870 ℃中頻感應(yīng)淬火后45Mn鋼的金相組織(a)quenched sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.2 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching at 870 ℃
圖3為中頻感應(yīng)淬火、回火后45Mn鋼的金相組織。由圖3(a)可以看出,45Mn鋼經(jīng)過870 ℃中頻感應(yīng)淬火和550 ℃中頻感應(yīng)回火后,從表面到心部組織分層界限趨于模糊,位置1、位置2、位置3分別對應(yīng)淬硬區(qū)、過渡區(qū)和心部熱影響區(qū)?;鼗鸷蟠阌矃^(qū)組織為回火索氏體,碳化物呈細(xì)針狀分布,組織均勻細(xì)密,見圖3(b);過渡區(qū)由淬火馬氏體+屈氏體混合組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w+珠光體混合組織,見圖3(c);心部熱影響區(qū)組織為索氏體、珠光體以及沿晶界分布的網(wǎng)狀鐵素體,見圖3(d)。
(a)回火試樣;(b)淬硬區(qū);(c)過渡區(qū);(d)心部熱影響區(qū)圖3 中頻感應(yīng)淬火、回火后45Mn鋼的金相組織(a)tempered sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.3 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching and tempering
圖4為45Mn鋼從表面到心部的硬度變化曲線。由圖4可知,870 ℃中頻感應(yīng)淬火后,45Mn鋼從表面到心部淬火硬度呈現(xiàn)三段式下降,表層硬度變化較小,距表面2 mm處淬火硬度為58.5 HRC。硬度曲線變化符合淬火組織變化,淬硬區(qū)組織為針狀馬氏體,表現(xiàn)出高硬度;過渡區(qū)組織為淬火馬氏體、屈氏體,距離心部越近,馬氏體含量越少,硬度快速下降,幅度較大;心部熱影響區(qū)組織為屈氏體、珠光體,越靠近心部珠光體含量增多,硬度緩慢下降。
圖4 45Mn鋼硬度變化曲線Fig.4 Hardness change curve of 45Mn steel
中頻感應(yīng)淬火、回火后,淬硬區(qū)硬度均勻,過渡區(qū)硬度下降較快,熱影響區(qū)硬度趨于平緩。
中頻感應(yīng)淬火后,淬硬區(qū)寬度為8.7 mm,過渡區(qū)寬度為6.2 mm。550 ℃回火后,淬硬區(qū)與過渡區(qū)寬度均無明顯變化。
1)45Mn鋼棒中頻感應(yīng)淬火后,從表面到心部分為淬硬區(qū)、過渡區(qū)和熱影響區(qū),淬硬區(qū)為細(xì)密均勻的針狀馬氏體組織,過渡區(qū)組織為淬火馬氏體+屈氏體,熱影響區(qū)組織為屈氏體+珠光體;
2)45Mn鋼棒中頻感應(yīng)淬火、回火后,淬硬區(qū)組織為回火索氏體,碳化物呈細(xì)針狀分布,組織均勻細(xì)密;過渡區(qū)組織為回火索氏體+珠光體;心部熱影響區(qū)組織為索氏體、珠光體以及沿晶界分布的網(wǎng)狀鐵素體;
3)870 ℃淬火時淬硬區(qū)寬度為8.7 mm,過渡區(qū)寬度為6.2 mm;經(jīng)550 ℃回火后淬硬區(qū)與過渡區(qū)寬度均無明顯變化。