淬火工藝對碳鋼硬度的影響

柳彭鵬

摘 要：碳鋼含碳量對碳鋼淬火后的硬度有很大的影響。對于相同含碳量的碳鋼，不同加熱溫度和淬火方式對碳鋼的硬度也有影響。通過實驗，可以總結出碳鋼含碳量和碳鋼淬火條件對碳鋼硬度的影響，對實際工業生產可以起到一定的指導作用。

關鍵詞：淬火；碳鋼硬度；加熱溫度；水淬

中圖分類號：TG156.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.098

工業中為獲得硬度合適的碳鋼，工廠會試用不同含碳量的碳鋼，同時采取多種熱處理方法對碳鋼進行處理。為得到不同淬火工藝與碳鋼含碳量的關系，本文采用了45#和T10 2種不同的含碳鋼，共設置了8組實驗進行對照和數據分析，以此確定這些因素對碳鋼含碳量的影響。

1 實驗條件

該實驗中的磨樣、硬度測量和顯微觀察步驟均是在常溫常壓下進行的。淬火中選取了2個不同的溫度分別對2種碳鋼進行加熱處理，淬火分為水淬和油淬，淬火后置于常溫常壓下等待進行后續步驟。具體加熱溫度和時間如表1.

實驗材料及設備如下：半徑為20 mm的45#鋼4個；半徑為25 mm的T10鋼4個；高溫箱式電阻爐，相應的熱電偶和溫控儀表；洛氏硬度計；油淬和水淬淬火用水槽各1個，鐵鉗、成套砂紙和硝酸酒精若干；臥式金相顯微鏡（帶攝影裝置）1臺，臺式金相顯微鏡若干。

2 實驗方法和步驟

2.1 淬火

分別取2個45#樣品和2個T10樣品。打磨掉其氧化層后，將樣品置于電阻爐中加熱到指定溫度后保溫。保溫后，分別對各組中的2個樣品進行水淬和油淬，然后再分別對45#樣品和T10樣品進行一次非正常處理。將45#樣品打磨后在500 ℃下保溫20 min，接著水淬，將T10樣品打磨后在940 ℃下保溫25 min后水淬。

2.2 測量硬度

取以上6個樣品進行硬度測量。使用洛氏硬度計進行硬度測試，對同一試樣測試3次，取其平均值作為實驗結果。

2.3 金相試樣的制備

金相試樣的制備包括取樣、磨制、拋光、腐蝕等幾個步驟。拋光時要不時地用氧化鋁所制的溶液噴灑。腐蝕液使用質量分數為4%的硝酸酒精溶液，腐蝕5～10 s。

2.4 組織觀察

使用帶攝影裝置的臥式顯微鏡觀察所有的樣品。要注意移動樣品，選取無磨痕、組織清晰的區域觀察并拍照。

3 實驗具體數據

實驗組織照片如圖1.

4 實驗數據分析

觀察金相圖可知，45#鋼原始組織基體組織為片狀珠光體+網狀、塊狀鐵素體。T10鋼原始組織黑色基體為細片狀珠光體，沿晶界分布的白色細網絡為二次滲碳體。對所有組織而言，淬火后均會形成馬氏體，使得碳鋼硬度得到提升。這是因為碳在馬氏體中的固溶強化作用很強。另外，不論是板條狀馬氏體的板條，還是片狀馬氏體的條片都很細小，會使得晶界增多，有利于碳偏聚釘扎位錯，有利于硬度的提高。同時，馬氏體自身的體心立方結構密排滑移面較少，減少了位錯的滑移，提高了硬度。

而對于不同的樣品或者同一樣品不同熱處理條件下所形成的組織，其硬度也會不同。隨著含碳量的增加，組織中滲碳體數量增加，鐵素體數量減少，固溶強化作用和對位錯的釘扎作用都會加強，淬火后，組織也會逐漸由硬度較低的板條狀馬氏體向硬度較高的片狀馬氏體轉變。由硬度測試的數據分析可知，對樣品保溫后進行水淬后的硬度一般高于其油淬后的硬度。這是因冷卻速度不同所造成的組織性能的差異所致，不同的冷速下得到的樣品顯微組織不同，冷卻速度越快，淬火硬度越高。

對于45#鋼，其低于正常淬火溫度下的水淬硬度遠低于正常淬火溫度下水淬的硬度；而對于T10鋼，其高于淬火溫度下的水淬硬度較于正常淬火溫度下的硬度也偏低。這是因為對于成分一定的碳鋼，淬火后的硬度是由馬氏體中飽和的碳濃度以及未轉變殘余奧氏體的量所決定。在相同的淬火溫度下，合金碳化物的溶解是奧氏體中溶解碳的限制因素，而碳化物的分解和擴散難易是其奧氏體中碳溶解度的主要影響因素。在較低溫度下淬火時，奧氏體中溶解的碳量較少，轉變的馬氏體中飽和的碳也較少，所以硬度較低。當淬火溫度逐漸升高時，碳化物的溶解能力和元素的擴散能力也隨之增強，使奧氏體中溶解適量的碳，從而使組織淬火后形成高硬度的馬氏體。當淬火溫度繼續上升時，奧氏體中溶解的碳量過多，會使奧氏體的穩定性增強，使部分奧氏體淬火后不能形成馬氏體。組織中剩余的殘余奧氏體增多，即使經回火后仍不能消除，卻會降低組織硬度。這就是奧氏體的穩定化。另外，淬火溫度過高還會促使晶粒長大，從而使晶界減少，硬度降低。高溫脫碳現象嚴重，也會對組織硬度造成影響。

5 實驗結論

實驗得出以下結論：①碳鋼淬火后形成馬氏體會提高組織的硬度。②含碳量越高，碳鋼的硬度越高。③碳鋼淬火后硬度顯著提升，水淬后的硬度普遍高于油淬。這是因為冷速越快，硬度越高。④成分一定的碳鋼有自身最合適的淬火溫度，高于或者低于這個溫度都會使碳鋼硬度下降。

致謝：本論文實驗在指導老師的指導下完成，實驗中得到了薛曉瑜、張婷、金貝宣、賈麗娜和閆相斌5位同學的幫助。

參考文獻

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