淬火工藝對(duì)碳鋼硬度的影響

柳彭鵬

摘 要：碳鋼含碳量對(duì)碳鋼淬火后的硬度有很大的影響。對(duì)于相同含碳量的碳鋼，不同加熱溫度和淬火方式對(duì)碳鋼的硬度也有影響。通過實(shí)驗(yàn)，可以總結(jié)出碳鋼含碳量和碳鋼淬火條件對(duì)碳鋼硬度的影響，對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)可以起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：淬火；碳鋼硬度；加熱溫度；水淬

中圖分類號(hào)：TG156.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.098

工業(yè)中為獲得硬度合適的碳鋼，工廠會(huì)試用不同含碳量的碳鋼，同時(shí)采取多種熱處理方法對(duì)碳鋼進(jìn)行處理。為得到不同淬火工藝與碳鋼含碳量的關(guān)系，本文采用了45#和T10 2種不同的含碳鋼，共設(shè)置了8組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照和數(shù)據(jù)分析，以此確定這些因素對(duì)碳鋼含碳量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)中的磨樣、硬度測(cè)量和顯微觀察步驟均是在常溫常壓下進(jìn)行的。淬火中選取了2個(gè)不同的溫度分別對(duì)2種碳鋼進(jìn)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(jìn)行后續(xù)步驟。具體加熱溫度和時(shí)間如表1.

實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備如下：半徑為20 mm的45#鋼4個(gè)；半徑為25 mm的T10鋼4個(gè)；高溫箱式電阻爐，相應(yīng)的熱電偶和溫控儀表；洛氏硬度計(jì)；油淬和水淬淬火用水槽各1個(gè)，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(tái)，臺(tái)式金相顯微鏡若干。

2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

2.1 淬火

分別取2個(gè)45#樣品和2個(gè)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(duì)各組中的2個(gè)樣品進(jìn)行水淬和油淬，然后再分別對(duì)45#樣品和T10樣品進(jìn)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(cè)量硬度

取以上6個(gè)樣品進(jìn)行硬度測(cè)量。使用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，對(duì)同一試樣測(cè)試3次，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)步驟。拋光時(shí)要不時(shí)地用氧化鋁所制的溶液噴灑。腐蝕液使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dòng)樣品，選取無磨痕、組織清晰的區(qū)域觀察并拍照。

3 實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)組織照片如圖1.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)狀、塊狀鐵素體。T10鋼原始組織黑色基體為細(xì)片狀珠光體，沿晶界分布的白色細(xì)網(wǎng)絡(luò)為二次滲碳體。對(duì)所有組織而言，淬火后均會(huì)形成馬氏體，使得碳鋼硬度得到提升。這是因?yàn)樘荚隈R氏體中的固溶強(qiáng)化作用很強(qiáng)。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(xì)小，會(huì)使得晶界增多，有利于碳偏聚釘扎位錯(cuò)，有利于硬度的提高。同時(shí)，馬氏體自身的體心立方結(jié)構(gòu)密排滑移面較少，減少了位錯(cuò)的滑移，提高了硬度。

而對(duì)于不同的樣品或者同一樣品不同熱處理?xiàng)l件下所形成的組織，其硬度也會(huì)不同。隨著含碳量的增加，組織中滲碳體數(shù)量增加，鐵素體數(shù)量減少，固溶強(qiáng)化作用和對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用都會(huì)加強(qiáng)，淬火后，組織也會(huì)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(zhuǎn)變。由硬度測(cè)試的數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)樣品保溫后進(jìn)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(duì)于45#鋼，其低于正常淬火溫度下的水淬硬度遠(yuǎn)低于正常淬火溫度下水淬的硬度；而對(duì)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?yàn)閷?duì)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(zhuǎn)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(kuò)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(shí)，奧氏體中溶解的碳量較少，轉(zhuǎn)變的馬氏體中飽和的碳也較少，所以硬度較低。當(dāng)淬火溫度逐漸升高時(shí)，碳化物的溶解能力和元素的擴(kuò)散能力也隨之增強(qiáng)，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(dāng)淬火溫度繼續(xù)上升時(shí)，奧氏體中溶解的碳量過多，會(huì)使奧氏體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(jīng)回火后仍不能消除，卻會(huì)降低組織硬度。這就是奧氏體的穩(wěn)定化。另外，淬火溫度過高還會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大，從而使晶界減少，硬度降低。高溫脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，也會(huì)對(duì)組織硬度造成影響。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①碳鋼淬火后形成馬氏體會(huì)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?yàn)槔渌僭娇欤捕仍礁摺＂艹煞忠欢ǖ奶间撚凶陨碜詈线m的淬火溫度，高于或者低于這個(gè)溫度都會(huì)使碳鋼硬度下降。

致謝：本論文實(shí)驗(yàn)在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下完成，實(shí)驗(yàn)中得到了薛曉瑜、張婷、金貝宣、賈麗娜和閆相斌5位同學(xué)的幫助。

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