40CrMn鋼在脈沖電場(chǎng)下淬火工藝參數(shù)的優(yōu)化

王煥琴,盧澎濤,宋林森,王三保

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南省食品研究所,河南鄭州450053）

40CrMn鋼是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,其淬火組織中馬氏體的尺寸、大小和分布,對(duì)其回火后材料的機(jī)械性能和使用壽命至關(guān)重要.而工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)長(zhǎng)使用的常規(guī)淬火工藝,由于加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng),使之淬火馬氏體組織不甚理想.其直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命[1]因而,進(jìn)一步改善40CrMn鋼的機(jī)械性能,預(yù)防疲勞斷裂傾向,已成為工業(yè)生產(chǎn)亟待解決的問題[2].本文通過正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)40CrMn鋼進(jìn)行了研究,找出了40CrMn鋼在脈沖電場(chǎng)作用下理想的淬火新工藝參數(shù),并進(jìn)行了相應(yīng)的新工藝實(shí)驗(yàn),得到了40CrMn鋼理想的金相組織和淬火硬度值.

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為退火狀態(tài)的40CrMn鋼,試樣直徑為φ16 mm×16 mm,重量0.25 kg的40CrMn棒材.其化學(xué)成分如表1所示.

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

SXZ-2.5-12高溫箱式電阻爐；HR-150D型洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)；M-2預(yù)磨機(jī)；XJ-16型金相顯微鏡.

2 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)

2.1 確定影響硬度值的因素和水平

影響淬火硬度值的熱處理工藝[3-5]參數(shù)有：加熱溫度、保溫時(shí)間、脈沖時(shí)間.將它們分別簡(jiǎn)稱為因素A（加熱溫度℃）、B（保溫時(shí)間h）、C（脈沖時(shí)間min）,每個(gè)因素只取4個(gè)水平,如表2所示.按表2設(shè)置正交試驗(yàn)參數(shù),并得到考核指標(biāo)硬度HRC值.工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響數(shù)據(jù)見表3.

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

本次試驗(yàn)采用一次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[6],選用L16（44）正交表,按表2設(shè)置的正交試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并得到考核硬度指標(biāo)（HRC）.

表3 正交實(shí)驗(yàn)表及分析結(jié)果

2.2 方差分析和尋找最優(yōu)組合

根據(jù)表4方差分析和最佳水平分析：A（加熱溫度）因素是實(shí)驗(yàn)過程中最顯著的影響因素,所以在選取時(shí)應(yīng)直接選水平效應(yīng)中的A2以降低加熱溫度為宜.C（脈沖時(shí)間）因素是實(shí)驗(yàn)過程中的重要因素,故應(yīng)選取值C1以縮短脈沖時(shí)間.B因素雖然不是最大的影響因素,但考慮到等溫時(shí)材料的組織變化諸因素?cái)M選取B2較好.綜合考慮各種因素對(duì)性能的影響,從上述16次正交試驗(yàn)中,找出四種較理想的淬火工藝參數(shù),即A2B1C2、A2B2C1、A2B3C4、、A4B3C2,按照這四種方案分別再做試樣四根,從中確定出硬度指標(biāo)和馬氏體組織最合適的一個(gè).根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,見表4.

表4 方差分析

3.3 脈沖實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用自己制作改進(jìn)的脈沖發(fā)生器,將金屬導(dǎo)線按順序分別連接在試樣兩端,首先把40CrMn鋼試樣裝入箱式加熱爐內(nèi)加熱到810～870℃,保溫2 min后,施加800 V、50 Hz的脈沖電流3～9 min后,在繼續(xù)保溫5～16 min后,放入油中冷卻到室溫.如圖1所示.

圖1 脈沖電場(chǎng)處理鋼實(shí)驗(yàn)

2.4 工藝參數(shù)對(duì)硬度的影響分析

在表3中考察了3因素和4水平對(duì)硬度的影響.實(shí)驗(yàn)選用的脈沖電壓800 V、頻率50 Hz,為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),只取有代表性的加熱溫度810～870℃、保溫時(shí)間4～16 min、脈沖時(shí)間3～9 min、進(jìn)行了3因素4水平組合的16次有代表性脈沖實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行了硬度測(cè)試和金相顯微組織觀察,最后得到了最佳的參數(shù)組合各因素、水平對(duì)硬度均值（K1,K2,K3,K4）的影響,如圖2所示.

圖2 各因素和水平對(duì)硬度的影響

根據(jù)對(duì)硬度的要求,40CrMn鋼經(jīng)脈沖淬火后硬度值應(yīng)控制在50～60 HRC,最理想的脈沖淬火新工藝為第6組A2B2C1,即加熱到820℃,保溫時(shí)間12 min、、脈沖時(shí)間3 min、,合計(jì)約12 min.同樣的硬度值下,比普通淬火的加熱溫度低了40℃,且時(shí)間也縮短了4 min.如圖3、圖4、圖5、圖6；

圖3 40CrMn普通淬火工藝曲線

圖4 40CrMn脈沖淬火工藝曲線

圖5 40CrMn普通淬火組織400X

圖6 40CrMn脈沖淬火組織400X

3 小結(jié)

通過正交試驗(yàn)和脈沖實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)次數(shù)、優(yōu)化了40CrMn鋼淬火新工藝參數(shù),結(jié)果表明：（1）脈沖淬火后的硬度值,是隨加熱溫度降低,保溫時(shí)間減少,脈沖時(shí)間在不斷的延長(zhǎng)而逐漸升高.（2）采用脈沖淬火新工藝,在保證得到理想的馬氏體組織的同時(shí),降低了加熱溫度、縮短了保溫時(shí)間,在獲得較理想馬氏體組織的同時(shí),其硬度可比普通淬火提高2～3 HRC,進(jìn)一步改善了40CrMn鋼的機(jī)械性能,降低了加工成本,提高了工作效率.

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