淬火介質(zhì)濃度對45鋼淬硬層深度及組織性能的影響

沈明 李少雨 錢航 張陽

(中航卓越鍛造(無錫)有限公司，江蘇214183)

收稿日期：2021-09-23

45鋼是在我國應(yīng)用最普遍的碳素結(jié)構(gòu)鋼之一，它具有良好的綜合力學(xué)性能，如較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，還具有很好的切削加工性能和熱成型性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸等受力零部件。但45鋼水淬具有較大的變形和開裂風(fēng)險，而油冷又不能獲得較好的淬硬性，同時其淬透性又很低。水基淬火介質(zhì)是一種冷卻能力介于水和油之間的新型淬火介質(zhì)，高溫時其冷卻能力接近水的快速冷卻能力，低溫時冷卻能力接近油的慢冷性能，且具有無毒、無污染、成本較低等特點(diǎn)，在提高45鋼的零件質(zhì)量、降低工藝成本等方面具有很好的效果[1-4]。為了獲得45鋼冷卻效果最佳時的淬火介質(zhì)濃度，本文研究了不同濃度淬火介質(zhì)對45鋼組織和性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

45鋼淬火試驗用試樣為90 mm×90 mm×90 mm的方形試塊，所有的淬火試驗用方形試塊都從同一樣件上制取。樣件原材料采用電爐(EAF)+精煉爐(LF)+真空脫氣(VD)+連鑄(CC)方式冶煉，然后原材料經(jīng)鍛造、軋制成環(huán)和鍛后熱處理等后再切成試驗用的方形試塊，其化學(xué)成分如表1所示，滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求。

表1 45鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 45 steel(mass fraction, %)

1.2 試驗方法

根據(jù)文獻(xiàn)記載[5]，45鋼材料臨界相變Ac1溫度約為724℃，Ac3溫度約為780℃，而其淬火加熱溫度一般選擇在Ac3+(30～50)℃之間。在實際操作中，考慮到零部件尺寸效應(yīng)和形狀復(fù)雜因素等，對于結(jié)構(gòu)簡單的大尺寸零部件的淬火加熱溫度一般選擇在上限，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小尺寸零部件的淬火加熱溫度一般選擇在下限，且需要考慮淬火冷卻過程中變形和開裂的風(fēng)險。考慮到本試驗選用的試樣形狀及尺寸，并參考GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)范，本試驗選擇的45鋼淬火加熱溫度為840℃。然后將已經(jīng)制備的90 mm×90 mm×90 mm的方形試塊在該溫度下保溫3 h后，分別在不同濃度的淬火介質(zhì)中冷卻，淬火介質(zhì)濃度如表2所示。試塊冷卻后，按照GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》測定經(jīng)過不同濃度淬火介質(zhì)冷卻后的硬度梯度及相對應(yīng)的金相組織。

2 試驗結(jié)果

2.1 淬硬層深度

將在不同濃度淬火介質(zhì)中冷卻的試樣沿中線一分為二，分割成兩個尺寸均為45 mm×90 mm×90 mm的試樣，如圖1所示。然后任選一個剖分后的試樣，并沿分割面中間位置測量試樣的洛氏硬度，即沿圖1所示點(diǎn)線位置檢測淬火后試樣的硬度梯度變化。表3為在不同濃度淬火介質(zhì)中冷卻的45鋼試樣從表面至心部的硬度檢測結(jié)果，圖2為45鋼淬火表面到至表面距離20 mm處的硬度變化曲線。

圖1 硬度檢測位置Figure 1 Hardness test position

圖2 不同濃度淬火介質(zhì)冷卻后45鋼試樣的洛氏硬度Figure 2 Rockwell hardness of 45 steel samples cooled by different concentrations of quenching medium

從表3和圖2可以看出，不論是水還是不同濃度淬火介質(zhì)，對于45鋼而言，距淬火表面5 mm內(nèi)硬度高于50HRC，當(dāng)距淬火表面距離大于11 mm后，試樣心部硬度變化很小，而在5 mm到11 mm之間的區(qū)域，45鋼硬度很快降低，但當(dāng)淬火介質(zhì)濃度大于10%時，距淬火表面7 mm內(nèi)硬度變化不大，都在50HRC以上。即淬火介質(zhì)濃度對45鋼的淬硬層深度有顯著影響，且隨淬火介質(zhì)濃度提高，45鋼淬硬層深度逐漸增加。

表2 45鋼淬火冷卻時的介質(zhì)濃度Table 2 Medium concentration for 45 steelduring quenching and cooling

表3 不同濃度淬火介質(zhì)冷卻的45鋼HRC硬度Table 3 HRC of 45 steel cooled by different concentrations of quenching medium

2.2 金相組織

圖3為在不同濃度淬火介質(zhì)中冷卻的45鋼表層金相組織。由圖3可知，45鋼在不同濃度淬火介質(zhì)中冷卻后其表層組織基本為馬氏體組織，但隨著淬火介質(zhì)濃度的升高，馬氏體板條尺寸變得更加細(xì)小，且殘余的奧氏體含量逐漸減少。當(dāng)淬火介質(zhì)濃度超過8%時，在圖3的金相組織中已經(jīng)很難發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體的存在，而淬火介質(zhì)為水時，金相組織中明顯有少量的殘余奧氏體存在。

圖3 不同濃度淬火介質(zhì)冷卻后距淬火表面3 mm的組織Figure 3 The microstructure at the position of 3 mm away from the hardened surface after cooling with different concentrations of quenching medium

2.3 表面硬度及沖擊性能

將圖1所示剖分后沒有用來檢測硬度梯度的試樣在600℃回火保溫3 h，然后檢測距試樣淬火表面10 mm位置的沖擊性能。表4所示為采用不同濃度淬火介質(zhì)冷卻的試樣回火后在距淬火表面10 mm位置的沖擊性能，圖4所示為采用不同濃度淬火介質(zhì)淬火后試樣表面的硬度及沖擊性能。從表4和圖4可以看出，添加淬火介質(zhì)能有效改善45鋼材料的淬火效果，即淬火介質(zhì)不僅能提高45鋼距淬火表面10 mm處的沖擊性能，還可以改善沖擊吸收能量值的均勻性，且隨淬火介質(zhì)濃度升高，試樣表面硬度變化規(guī)律和沖擊性能變化規(guī)律基本一致，都是隨著淬火介質(zhì)濃度的升高而升高，當(dāng)淬火介質(zhì)濃度達(dá)到10%時，硬度和沖擊性能達(dá)到最大，然后隨淬火濃度升高而降低。

圖4 表面硬度和沖擊性能與淬火介質(zhì)濃度的關(guān)系Figure 4 Relationship between surface hardness andimpact properties and quenching medium concentration

表4 不同濃度淬火介質(zhì)冷卻的45鋼沖擊性能Table 4 Impact properties of 45 steel cooled by different concentrations of quenching medium

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同濃度的淬火介質(zhì)對45鋼淬硬層深度的影響

根據(jù)表3和圖2結(jié)果可知，當(dāng)淬火介質(zhì)濃度為5%時，45鋼在淬火介質(zhì)中的淬硬層深度比在水中的淬硬層深度要小，而當(dāng)淬火介質(zhì)濃度大于等于8%時，45鋼在淬火介質(zhì)中的淬硬層深度則比在水中的淬硬層深度要大，且隨淬火介質(zhì)濃度的升高，45鋼方形試塊的淬硬層深度逐漸增加。但在距試塊淬火表面5 mm內(nèi)的范圍內(nèi)，試塊硬度則是先隨著淬火介質(zhì)濃度的升高而升高，且當(dāng)淬火介質(zhì)濃度為10%時，試塊硬度達(dá)到最高，然后隨著淬火介質(zhì)濃度的升高，距試塊淬火表面5 mm內(nèi)位置淬火后硬度降低。國內(nèi)有部分學(xué)者也對不同淬火介質(zhì)的影響做過一些研究[6]，這可能和水基淬火介質(zhì)的冷卻特性有關(guān)，即高溫時水基淬火介質(zhì)冷卻能力接近水的快速冷卻能力，低溫時則接近油的慢速冷卻能力。隨淬火介質(zhì)濃度變化，不同的水基淬火介質(zhì)冷卻特性會出現(xiàn)一定的變化，根據(jù)淬火介質(zhì)的這種特性可以在不同材質(zhì)和不同形狀零件淬火時選擇合適的淬火介質(zhì)類型和淬火介質(zhì)濃度。

3.2 不同濃度的淬火介質(zhì)對45鋼組織性能的影響

圖3說明淬火介質(zhì)濃度對45鋼表層金相組織影響顯著，提高淬火介質(zhì)濃度能夠有效改善45鋼的淬火效果，即既能減少淬火后組織中的殘余奧氏體含量，還可以細(xì)化馬氏體板條尺寸，進(jìn)而獲得更佳的綜合力學(xué)性能。而在90 mm×90 mm×90 mm的方形試塊心部，其組織仍為珠光體+鐵素體組織，但相對空冷狀態(tài)而言其鐵素體含量相對較少，如圖5所示。在圖4中，試樣表面硬度和距淬火表面10 mm位置處的沖擊性能都隨淬火介質(zhì)濃度升高而升高，且在淬火介質(zhì)濃度為10%時，硬度和沖擊性能達(dá)到最大值。淬火介質(zhì)對沖擊性能的影響原因是淬硬層深度越大，說明獲得50%馬氏體轉(zhuǎn)變的深度越大，經(jīng)過600℃回火后，回火索氏體層深也就越大，試塊的綜合力學(xué)性能也就越好[4,6-8]。

圖5 距淬火表面45 mm處的組織Figure 5 The microstructure at the position of 45 mmfrom hardened surface

4 結(jié)論

(1)淬火介質(zhì)濃度能夠顯著影響45鋼淬硬層深度，且隨淬火介質(zhì)濃度的升高，45鋼淬硬層深度逐漸增加。

(2)提高淬火介質(zhì)濃度能夠有效改善45鋼材料的淬火效果，隨淬火介質(zhì)濃度的升高，淬火后組織中的殘余奧氏體含量減少，淬火后形成的馬氏體板條尺寸也更細(xì)小。

(3)淬火介質(zhì)能夠有效改善45鋼材料的淬火效果，其試塊表面硬度和距淬火表面10 mm處的沖擊性能都隨淬火介質(zhì)濃度升高呈先升高后降低的趨勢，且當(dāng)淬火介質(zhì)濃度為10%時，試塊表面硬度和沖擊性能達(dá)到最高。