磨削淬火對60Si2Mn鋼性能的影響

吳良芹

(沙洲職業工學院 機電工程系，江蘇 張家港 215600)

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磨削淬火對60Si2Mn鋼性能的影響

吳良芹

(沙洲職業工學院 機電工程系，江蘇 張家港 215600)

摘要：采用剛玉砂輪在普通平面磨床上對60Si2Mn鋼進行了磨削硬化，研究其硬化層組織及變化規律。結果表明:表面磨削強化工藝可獲得760HV以上的高硬度淬硬層，最大淬硬層深達2.0 mm；磨削淬火加熱速度極快，細化了奧氏體晶粒，淬火馬氏體組織非常細小，得到板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。

關鍵詞：磨削；表面硬化；馬氏體；維氏硬度

0引言

磨削淬硬是利用磨削過程中產生的磨削熱直接對可淬硬鋼件進行表面淬火的新工藝。該工藝可以替代感應淬火、火焰淬火和激光淬火等常用表面熱處理工藝，減少零件熱處理工序，并能減少排放物對環境的污染，屬于典型的綠色制造和清潔化生產模式[1-3]。磨削淬火可以將淬火工藝與磨削加工集成到一條生產線上，達到簡化工藝、降低成本的目的，大大提高了企業的生產效率和市場競爭力；還可以減少有害物質的排放及環境的污染。

自1994年德國的Brinksmeier.E和Brockhoff.T 提出了磨削淬硬工藝以來，國內外學者先后針對GCr15鋼、65Mn鋼、40Cr鋼等進行了磨削硬化試驗研究，并取得了若干創新成果[4-7]。本文以60Si2Mn鋼為試驗試樣，在平面磨削硬化的基礎上，研究其硬化層組織及在不同磨削條件下硬化層組織的變化規律。

1試驗條件與方法

試驗材料選用60Si2Mn鋼板，其主要化學成分的質量分數為：0.61% C，0.24% Cr，1.64% Si，0.76% Mn，0.025% P，0.01% S。一部分試樣經過850 ℃油冷淬火后制成試樣，再用3%~5%硝酸酒精溶液腐蝕，制成金相試樣后通過顯微鏡觀察金相組織。其余試樣分組進行單程磨削淬火試驗，選用M7130型普通平面磨床為磨削淬火試驗磨床，采用磨削試驗工藝條件見表1。

表1　磨削試驗工藝條件

磨削淬硬后，沿磨削淬硬層深度方向切取試樣，研磨拋光試樣后，用3%~5%硝酸酒精溶液腐蝕，制成金相試樣。分別用HVS-1000型數字顯微硬度計測量硬度和KH-7700的HIROX三維視頻顯微鏡掃描金相組織。測量硬度時加載載荷為4.9 N，加載時間15 s，測取3點數據取平均值。

2試驗結果

2.1　金相組織

在顯微鏡下觀察淬火后試樣，發現在850℃常規淬火工藝下得到的馬氏體組織大部分為片狀馬氏體，存在少量局部板條狀馬氏體，在板條馬氏體之間分布著塊狀殘余奧氏體，如圖1所示。而在磨削淬火后獲得的馬氏體組織則較常規淬火得到的馬氏體組織細小，如圖2所示。

圖1　常溫(870 ℃)淬火的金相組織

圖2　60Si2Mn磨削淬火組織

由于隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒明顯長大，而板條馬氏體的尺寸也逐漸長大；另外，殘余奧氏體量也隨淬火溫度升高而增多。因為馬氏體產生時相變體積膨脹，淬硬層會表現出壓應力狀態；在沿淬硬層與基體交界處的兩界面處，晶粒呈現伸長變形；同時在磨削面的最外層晶粒也呈現拉長變形，如圖2a所示。由于磨削淬火溫度由外向里逐漸降低，通過顯微鏡發現里層的板條馬氏體和殘余奧氏體變少，而馬氏體內沿晶界處存在較為明顯的回火現象，如圖2b所示。另外，由于工件表面在磨削加工時承受剪切應力作用的原因，工件表面材料在切屑形成時沿著剪切力方向產生塑形變形，從而使工件表層晶粒呈現拉長變形。

從以上現象可以得出：磨削淬火過程中溫升速度極高，導致過熱度很大，促使奧氏體轉變向高溫區偏移，轉變溫度升高顯著。而靠近基體處的溫度較低，使得磨削淬火時奧氏體轉變不徹底，并導致原始組織中網狀鐵素體無法充分溶解。另由于磨削速度快，工件里層溫度較低，工件基體無法產生相變，其金相組織仍為鐵素體和珠光體的混合組織[6]。

2.2　試樣硬度

在磨削淬硬過程中，以不同切削深度進行磨削淬火加工，然后測試其硬化層硬度。根據淬硬層中各測量點的維氏硬度值可以得到磨削淬硬層硬度變化曲線，如圖3所示。從圖3中可以發現，所有切深的磨削淬硬層硬度都可達550HV以上，且淬硬層硬度隨著切深增加而升高，試驗中測得最大淬硬層厚度超過2.0mm。因此，60Si2Mn鋼磨削淬火硬度能夠達到普通淬火條件下550HV的硬度標準，并可以得到較深的淬硬層。

圖3　硬度變化曲線

3分析與討論

3.1　磨削溫度作用

磨削硬化是利用磨削過程中產生的熱量，使工件表層溫度上升，達到相變溫度并奧氏體化；在磨削應力—應變場作用下奧氏體晶?！八榛?，然后通過工件的快速冷卻，實現自冷淬火[5]。因在磨削淬硬過程中，工件表面的加熱速度達到103℃/s，使得奧氏體中碳含量不等，成分不均勻性顯著加劇，使得磨削冷卻后獲得板條狀馬氏體的淬火組織。

3.2　硬化層組織的形成

在磨削淬火中，磨削熱能量密度非常大，導致在奧氏體化過程中先共析的鐵素體無法完全溶解，碳原子擴散不充分，從而導致部分奧氏體中含碳量增大；由于碳濃度的分布不均勻，奧氏體晶粒細小，從而使奧氏體強度得到了

提高。60Si2Mn鋼屬中碳合金彈簧鋼，其馬氏體相變溫度Ms點約為300℃，在磨削淬火冷卻至室溫時，碳原子擴散會產生偏聚區。在磨削淬火過程中，工件表面的溫度變化速度極快，工件承受機械應力時伴有塑性變形，淬火后馬氏體組織的晶格畸變增大、畸變能較高。在試驗中觀察到，磨削淬火馬氏體組織中有明顯的自回火現象。

3.3　磨削條件的影響

在其他磨削工藝條件不變時，隨著磨削深度αp的增加，砂輪與工件接觸時間會延長，表面加熱溫度隨之升高，奧氏體晶粒細化；同時奧氏體晶粒殘余應變增大，導致奧氏體晶?！八榛?、位錯密度較高。由于升溫極快，沒有保溫時間，形成的奧氏體均細小，冷卻后均得到細小的馬氏體組織。

通常情況下，材料硬度越高，磨削熱和磨削力也就越大。在不改變其他磨削工藝條件時，退火態試樣硬度比調質態試樣的低、磨削力小、磨削熱量少，試樣表面溫度低[4]。因此，磨削淬火形成的奧氏體晶粒不容易長大。

4結論

1) 60Si2Mn鋼磨削淬火后可以得到較為細小的馬氏體，晶粒在沿淬硬層內與基體交界面法向呈現伸長變形，馬氏體內存在自回火現象。

2) 60Si2Mn磨削淬硬層的硬度很高，達到760HV以上，淬硬層硬度隨著切深增加而升高，最大淬硬層可達2.0mm以上。

參考文獻:

[1] Brinksmeier E, Brockhoff T. Randschicht-W?rmebehandlung dursh Schleifen[J]. Harterei-Techn- Mitt,1994,49⑸: 327-330.

[2] Brockhoff T. Grinding-Hardening: A Comprehensive View[J]. Annals of the CIRP,1999,48⑴: 255-260.

[3] Zarudi I, Zhang L C. Mechanical Property Improvement of Quenchable Steel by Grinding[J]. Journal of Materials Science, 2002, 37(18): 3935-3943.

[4] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 非淬硬鋼磨削表面硬化層的試驗研究[J]. 中國機械工程,2005,16(11):1013-1017.

[5] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 65Mn鋼磨削硬化層組織的研究[J]. 中國機械工程, 2004，15(17):1573-1576.

[6] 王曉燕. F48MnV鋼磨削強化機理研究[D]. 南京：南京航空航天大學.2008.

[7] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 中碳鋼緩進干磨表面硬化層特征[J]. 金屬熱處理,2005,30(12):35-38.

Effect of Grinding Hardening stay on 60Si2Mn Steel

WU Liang-qin

(Department Mechanical and Electrical Engineering，Shazhou Polytechnical Institute of Technology， Zhangjiagang 215600，China)

Abstract:The grind-hardening of steel 60Si2Mn is carried out on a conventional surface grinder by use of alumina grinding wheel and the microstructures of hardened layer are investigated. The results show that the micro-hardness of the grind-hardening layer is more than 760HV, and the thickness of grinding hardened martensite layer is up to 2.0 mm. Due to the fast speed of grinding hardening refines the austenite grain size and quenched martensitic microstructure are refined，and conformity microstructure of lathmartensite and plate martensite is obtained.

Keywords:grinding; superficial hardening; martensite; Vickers-hardness

中圖分類號：TG580.6

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0076-02

作者簡介：吳良芹(1975-)男，江蘇泰州人，講師，碩士，研究方向：車輛工程、機械工程。

基金項目：江蘇省高等職業院校高級訪問工程師計劃資助項目(2013)

收稿日期：2014-11-21