淬火加熱溫度對65Mn硬度的影響

朱曉東

(成都大學工業制造學院,四川成都 610106)

0 引 言

65Mn是制作各種板彈簧、絲彈簧的材料之一,多用于汽車、火車等交通運輸工具中,在儀表、家具、兒童玩具等制造中也得到大量應用.65Mn彈簧鋼中,錳能提高其淬透性,其強度、硬度、彈性和淬透性均比65號鋼高,而且直徑12 mm的鋼材在油中可以淬透,表面脫碳傾向比硅鋼小,經熱處理后的綜合力學性能優于碳鋼.但其有過熱敏感性和回火脆性,水淬有形成裂紋的傾向,退火態可切削性尚可,冷變形塑性低,焊接性差[1-2].

一般而言,淬火加熱溫度以及保溫時間對金屬材料熱處理后的性能有著極大影響.加熱溫度過低,則材料尚未完全奧氏體化,存在有部分未轉變的鐵素體,淬火后鐵素體仍保留在淬火組織當中,而鐵素體的硬度較低,從而使淬火后的硬度達不到要求,同時也會影響其它力學性能;加熱溫度過高,則奧氏體晶粒會顯著粗大,淬火后得到的馬氏體晶粒也較粗大,造成硬度值降低[3].據此,本文以65Mn彈簧鋼為研究對象,探討不同淬火溫度對該材料硬度與組織的影響,擬為獲得最佳的65Mn彈簧鋼熱處理工藝提供基礎實驗數據.

1 實 驗

為了研究65Mn彈簧鋼淬火加熱溫度對其硬度值的影響,本研究采用5組直徑20 mm,高度15 mm的試樣進行實驗.在實驗中,試樣采用WE-600B1型箱式電阻爐進行加熱以及保溫,保溫時間、冷卻介質、回火溫度及保溫時間都一致,只是加熱溫度不同.具體熱處理工藝流程如表1所示.

表1 5組試樣熱處理參數

試樣熱處理完成后,按照HRC規程利用洛氏硬度計測試試樣的硬度.由于洛式硬度壓痕很小,易受材料表面不平或材料內部組織不均勻的影響,為克服測量值的局部性,需測數個點求平均值[4].故對每組試樣測5個不同位置的硬度,取其平均值,得到數據如表2所示.

表2 熱處理后試樣硬度值

2 結果與分析

2.1 實驗結果

試樣淬火加熱溫度與硬度值關系如圖1所示.

從圖1可以看出,在加熱溫度小于830℃時,隨加熱溫度的增加,試樣的硬度值大幅度增加.當加熱溫度高于830℃時,隨加熱溫度的增加,試樣的硬度值略微下降.在830℃時,試樣的硬度達到最大值.

圖1 試樣的淬火加熱溫度與硬度值關系圖

2.2 分 析

分析發現,在淬火加熱溫度較低時,雖然已經達到臨界溫度以上,但是由于溫度不夠高,保溫時間不夠長,奧氏體化沒有完全進行.這是因為奧氏體化是通過碳原子和鐵原子的擴散進行的,擴散需要一定的能量以及足夠的時間才能完全均勻化.在保溫時間一定的情況下,就必須提高溫度以給原子擴散提供足夠的能量.一旦奧氏體化未能完全進行,則試樣基體中存在殘余的鐵素體,水淬后不能全部得到馬氏體,導致試樣硬度值較低.

在淬火加熱溫度高于830℃時,由于原子擴散獲得了足夠的能量,能夠將奧氏體化過程進行完全,水淬后能得到基本完全的馬氏體組織,所以試樣硬度較高.此外,從圖1也可以看出,當溫度超過830℃時,隨加熱溫度提高,試樣的硬度值沒有繼續增加,反而略微降低,這是因為加熱溫度過高,奧氏體晶粒尺寸會有所增大,其水淬時轉變得到的馬氏體晶粒尺寸也會有所增大.由細晶強化原理[5]可知,晶粒越細小,其硬度值越高,所以溫度過高時,其硬度值會有少許降低.

在試樣的熱處理完成后,將各個試樣用80和240號砂紙進行粗磨,粗磨完成后再用01、02、03、04號砂紙細磨.然后用Cr2O3粉末配制的拋光液對試樣進行拋光,并用含有4%硝酸的酒精溶液對拋光后的試樣進行腐蝕.腐蝕工序完成后,將試樣清洗并干燥后,用金相顯微鏡上觀察其金相組織,結果見圖2～圖4.

圖2 加熱溫度為780℃時試樣室溫組織示意圖

圖3 加熱溫度為830℃時試樣室溫組織示意圖

圖4 加熱溫度為880℃時試樣室溫組織示意圖

從圖2～圖4可以看出,淬火加熱溫度為780℃、830℃、880℃的試樣室溫組織基體都為回火托氏體.在780℃加熱溫度下得到的金相組織基體上出現一些白色鐵素體組織,表明此加熱溫度下試樣未能完全奧氏體化;在830℃、880℃加熱條件下室溫組織未出現鐵素體組織,表明試樣奧氏體化已經完全.金屬材料在完全奧氏體化水淬能得到更多的馬氏體,硬度值也更高,這與硬度測試結果一致.另外,從圖3、圖4的對比可以看出,加熱溫度為880℃的基體組織比加熱溫度為830℃的基體組織略微粗大,所以其硬度值稍低.

3 結 語

為研究淬火加熱溫度對65Mn彈簧鋼熱處理后的硬度影響,對尺寸為直徑20 mm,高度15 mm的65Mn熱處理試樣進行不同加熱溫度的淬火處理,在其他條件保持相同的條件下,分別控制淬火加熱溫度為780℃、810℃、830℃、850℃、880℃,水淬后中溫回火.硬度測試表明,在淬火加熱溫度低于830℃時,試樣硬度值較低,其室溫金相組織顯示有少量鐵素體組織,這是由于加熱溫度不夠高,奧氏體化不完全造成的.當淬火加熱溫度高于830℃時,隨溫度的增加,其硬度值略微降低,其室溫金相組織也有略微增大,這是由于加熱溫度高,奧氏體晶粒長大造成的.

[1]《鋼鐵材料手冊》總編輯委員會.鋼鐵材料手冊[M].北京:中國標準出版社,2004.

[2]丁厚福,王立人.工程材料[M].武漢:武漢理工大學出版社,2001.

[3]楊滿.實用熱處理手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[4]崔明鐸.工程材料及其熱處理[M].北京:機械工業出版社,2009.

[5]石德珂.材料科學基礎[M].北京:機械工業出版社,1999.