低碳鋼淬火后硬度及顯微組織研究

翟鵬飛，尉豐嬋，張志勇

（山西農業大學信息學院，山西 太谷 030800）

1 研究的背景及意義

低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼帶或鋼板，用于制作各種建筑構件、容器、箱體、爐體和農機具等。在以前由于低碳鋼較低的硬度與強度等性質，在使用范圍方面受到了較大限制。最近，隨著高新技術的推廣應用，低碳鋼的用途得到了較大的開發利用。這也給我們對低碳鋼的綜合利用，指明了新的道路。本文通過對低碳鋼在水介質中，進行不同溫度下的淬火作為鋼的熱處理方法，分別在硬度計與金相顯微鏡中進行試驗，研究其硬度及金相組織，探究它們的關系，具有一定的實踐意義。

2 研究內容與方法

通過研究20#鋼在不同溫度下進行淬火，測試其硬度并觀察組織的變化，進而進行分析研究，所用試樣為直徑30 mm，高40 mm的小圓柱體。

2.1 加熱時間

在實際生產中，只有在使用大型工件或熔爐時，才會分別考慮加熱時間和保溫時間。但在普通的時候下，加溫和保持恒溫兩個時段被我們一起叫作淬火加熱時間。常用公式為：加熱時間=加熱系數×裝爐量修正系數×工件有效厚度。

2.2 加熱溫度

20#鋼屬于亞共析鋼，對于亞共析鋼，淬火加熱的溫度應該選用在超過AC3之上的30℃～50℃溫度范圍，可以充分奧氏體化，晶粒尺寸也較細小。

2.3 淬火介質

水是一種具有強大冷卻能力的淬火介質。在300℃～100℃中，我們把這個溫度區間稱為馬氏體轉變溫度區，在此區間內，水是沸騰的，形成的冷卻是非?？斓?，隨之馬氏體轉變的速度也會非常快。水是一種良好的冷卻介質，用于淬火和冷卻小尺寸和簡單形狀的碳鋼工件。

根據以上因素，我們選擇箱式電阻爐作為淬火用加熱設備，根據工藝手冊可知，保溫時間的計算公式

式中：t——保溫時間；ɑ——保溫時間系數，min/mm；K——工件裝爐方式修正系數；H——工件的有效直徑或厚度，mm。

由于我們選擇的是將工件單個平放，所以我們的修正系數是1。我們所有選用的工件是圓柱體，H=h，它的有效厚度為1 cm，即H=10 mm，所以根據公式（1）可得，我們的加熱時間為：t=1×1×40=40 min，因此我們的加熱時間為40 min。

20#鋼的Ac3為855℃，所以我們選擇的溫度為880℃，920℃。

2.4 金相組織觀察

對冷卻后的試樣進行打磨，分別在不同牌號的金相砂紙上從粗到細進行試樣磨制，之后在金相拋光機上進行拋光，經4%硝酸酒精腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察其組織。

2.5 布氏硬度測試

在觀察完金相組織后，我們還需要對在不同溫度下淬火后的20#鋼進行硬度測試。我們選擇布氏硬度，選用球壓頭，型號為2.5，檢測時選擇1 839 N，對于黑色金屬，載荷的維持時間在10～15 s，在實驗中我們選擇了11 s作為保持時間，將每組使用的材料都測試3次，取平均值。

表1 樣品處理前后的硬度Tab.1 Hardness of samples before and after treatment

3 結論

通過觀察及分析發現在淬火后，試樣的硬度有明顯提高，而且溫度較高時的淬火后試樣硬度更大一些，較原材硬度提升了約31%，結合金相圖片，在高溫下淬火后的組織內部具有更多的滲碳體，由于滲碳體的硬度很高，提高了試樣的硬度。