45Mn2材料水—空淬火工藝研究

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 （石嘴山 753001） 米 佩

我公司采用的中碳合金鋼材料種類主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等，其中45Mn2鋼約占20%，傳統熱處理工藝采用油進行淬火，但是采用油淬時存在以下不足：一是淬火時產生大量的油煙，不僅污染環境，而且危害操作工人的身體健康；二是油的成本遠大于水的成本，且油容易老化，換新油成本太高，不換則產品質量不好保證，經常出現工件調質后硬度不能滿足技術要求的情況，容易造成返工；三是淬火時如操作不當，容易發生火災。

近幾年來，我們已積累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控時淬火工藝，并已經廣泛應用于公司多種產品，積累了中碳合金鋼水-空控時淬火的實際經驗。但45Mn2材料C、Mn含量較高，薄壁套類零件在淬火過程中容易開裂。為消除油淬火帶來的不利影響，經充分討論，熱處理技術人員決定大膽創新，組織對45Mn2材料產品進行水-空控時淬火試驗。

一、試驗材料及方法

1.試驗材料

45Mn2鋼具體成分如表1所示。技術要求：調質處理280～320HBW（相當于30～35HRC），調質處理后工件無裂紋。試驗件工藝路線：鍛造→粗車→調質→加工；數量：3件；規格：φ70mm×300mm。

表1 試驗用45Mn2鋼化學成分（質量分數） （%）

2.試驗參數及方法

本次試驗采用普通臺車電阻爐，功率100kW。

（1）調質工藝參數的選擇 對45Mn2材料試棒進行水-空、油、水基淬火液淬火，45Mn2屬于亞共析鋼，材料的Ac3為770℃，通常淬火溫度選取Ac3以上30～50℃，根據選取的淬火冷卻介質冷卻能力的大小選擇適當的淬火溫度。油的冷卻速度慢，所以油淬火溫度選擇常規淬火溫度860℃；水基淬火液和水的冷卻速度非?？欤虼?，在試驗時先采用800℃作為淬火溫度。

因油在低溫區具有較慢的冷卻速度，所以試棒采用油進行淬火，入油冷卻時間取5s/mm；水基淬火液在高溫區具有較快的冷卻速度，但當工件溫度低于300℃后冷卻速度相當于油的冷卻速度，所以水基淬火介質冷卻時間與油相同；因水在工件溫度低于300℃后具有較快的冷卻速度，為了防止工件在低溫區淬火開裂，冷卻時間取1～1.5s/mm。具體參數見表2。

表2 45Mn2試樣調質處理工藝參數

（2）硬度、金相顯微組織、力學性能檢測 對試樣淬火、回火處理后進行硬度、金相組織、力學性能檢測，其中試樣表面硬度檢測采用HBC型錘擊式布氏硬度計，按照GB/T231—2009《金屬材料布氏硬度試驗》規定檢測試樣布氏硬度；試樣切片采用TH301洛氏硬度計檢測硬度；用光學顯微鏡DM13000M，按照GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》規定檢測顯微組織。按GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》規定檢測材料抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率；按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規定檢測常溫沖擊吸收能量。

（3）結果對比 對比采用三種不同的淬火冷卻介質進行調質處理后，試樣的硬度、金相顯微組織、試樣切片硬度的區別。同時，根據試樣水-空控時淬火試驗數據，制訂產品調質工藝參數。

二、試驗結果及分析

1.45Mn2材料試樣試驗結果與分析

采用表2中參數處理后試樣切片如圖1所示，淬火后切片硬度見表3，回火后切片硬度見表4，回火后相對應的金相顯微組織如圖2所示，金相檢驗結果見表5，力學性能見表6。

圖1 試樣切片及硬度檢測部位示意

從表3、表4分析得出：采用三種不同的淬火冷卻介質處理后，工件淬火后都得到馬氏體組織（45Mn2材料半馬氏體硬度為45HRC），其中，采用油淬火后淬硬層深度為10mm，采用水基淬火介質淬硬層深度為20mm，采用水-空淬火淬硬層深度為30mm，采用表2工藝參數回火后，因回火溫度高，油淬試樣切片硬度與水基淬火介質試樣切片硬度低于技術要求，水-空淬火試樣切片硬度符合技術要求。

表3 不同淬火冷卻介質淬火后切片的硬度值 （HRC）

表4 調質后切片的硬度梯度值 （HRC）

圖2 采用三種介質調質處理后45Mn2試樣金相組織

表5 不同淬火冷卻介質調質處理后金相結果

表6 不同淬火冷卻介質下的力學性能結果

從圖2、表5分析得出：金相顯微組織采用水基淬火介質組織最好，水-空淬火次之，油淬火組織最差為4～5級。采用油淬火組織差的原因主要是油的冷卻速度慢，在淬火過程中，部分奧氏體因冷卻速度不足，發生珠光體轉變，甚至有部分條狀及塊狀鐵素體析出。

從表6可以看出：各項力學性能油的抗拉強度最好，水-空次之；但水-空的屈服強度、伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收能量等性能最好。所以綜合考慮，水-空淬火各項性能較佳。

綜合考慮硬度、淬硬層深度、金相顯微組織、各項力學性能，認為45Mn2材料水-空淬火工藝可行，制訂45Mn2材料軸承座調質工藝。

2.45Mn2材料水-空控時淬火工藝在軸承座調質處理應用實例

（1）軸承座技術要求及調質熱處理參數 技術要求：調質處理280～320HBW，工藝徑向留加工量4mm。要求工件處理后徑向變形≤2mm。調質工藝參數：裝爐方式見圖3，淬火溫度選擇800℃，回火溫度550℃，保溫時間90min。每次水冷卻時間為取1～1.5s/mm。共試驗10件，具體調質參數及試驗結果見表7。

圖3 軸承座裝爐方式示意

表7 軸承座調質處理工藝參數及試驗結果

（2）試驗結果與分析 從表7分析得出，軸承座采用上述工藝參數處理后，硬度滿足技術要求280～320HBW，且工件外圓徑向變形小于1.0mm，滿足工藝變形要求，工件無開裂現象。

采用水-空控時淬火變形小的原因是工件在淬火過程中，工件各處冷卻速度相當；工件在高溫期冷卻速度快，熱應力增大，同時可抵消大部分組織應力。

采用水-空控時淬火的關鍵點在于控制工件在高溫期快的冷卻速度、低溫期慢的冷卻速度。在高溫期采用水作為淬火冷卻介質，從而獲得大于臨界冷卻速度，確保奧氏體不發生珠光體轉變，大部分直接轉變為馬氏體，而在低于Ms點以下的低溫區，采用空氣作為淬火冷卻介質，獲得較低的冷卻速度，以減少工件的組織應力。如在高溫期冷卻速度不足，則造成工件淬火后硬度低，如在低溫區冷卻速度太快，則會造成工件組織應力過大，當組織應力超過材料的抗拉強度時，工件就會開裂。

三、結語

（1）根據實際淬火經驗得出，45Mn2材料采用水-空控時淬火工藝可行，淬火溫度選擇800℃，當工件的有效厚度≤60mm時，水冷卻總時間為取1～1.5s/mm（水溫低取下限，水溫高選擇上限），分2～3次進行冷卻?？绽鋾r間以工件在空氣中返熱溫度超過320℃為界限，當工件返熱溫度超過320℃，工件再次入水冷卻（45Mn2材料Ms點為320℃）。

（2）采用此種工藝方式處理后，工件硬度滿足技術要求，變形≤1mm，金相組織滿足GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》標準要求。

（3）采用此種工藝的優點：一是節約成本，就軸承座與原來的工藝相比，每年可節約工裝成本8000元，節約電費14000元，節約油耗32000元，總計54000元；二是減少油煙對環境的污染，改善了員工的作業環境，同時在淬火過程中不會發生火災。但缺點是淬火操作過程中對操作者的技能要求高，在淬火過程中如操作不當，容易造成工件開裂。因此，建議購買新的淬火設備，實現通過數控控制工件冷卻時間，減少人為因素，穩定產品質量。

（20131104）