45Mn2材料水—空淬火工藝研究

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 （石嘴山 753001） 米 佩

我公司采用的中碳合金鋼材料種類主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等，其中45Mn2鋼約占20%，傳統(tǒng)熱處理工藝采用油進(jìn)行淬火，但是采用油淬時(shí)存在以下不足：一是淬火時(shí)產(chǎn)生大量的油煙，不僅污染環(huán)境，而且危害操作工人的身體健康；二是油的成本遠(yuǎn)大于水的成本，且油容易老化，換新油成本太高，不換則產(chǎn)品質(zhì)量不好保證，經(jīng)常出現(xiàn)工件調(diào)質(zhì)后硬度不能滿足技術(shù)要求的情況，容易造成返工；三是淬火時(shí)如操作不當(dāng)，容易發(fā)生火災(zāi)。

近幾年來(lái)，我們已積累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控時(shí)淬火工藝，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公司多種產(chǎn)品，積累了中碳合金鋼水-空控時(shí)淬火的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。但45Mn2材料C、Mn含量較高，薄壁套類零件在淬火過(guò)程中容易開裂。為消除油淬火帶來(lái)的不利影響，經(jīng)充分討論，熱處理技術(shù)人員決定大膽創(chuàng)新，組織對(duì)45Mn2材料產(chǎn)品進(jìn)行水-空控時(shí)淬火試驗(yàn)。

一、試驗(yàn)材料及方法

1.試驗(yàn)材料

45Mn2鋼具體成分如表1所示。技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理280～320HBW（相當(dāng)于30～35HRC），調(diào)質(zhì)處理后工件無(wú)裂紋。試驗(yàn)件工藝路線：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→加工；數(shù)量：3件；規(guī)格：φ70mm×300mm。

表1 試驗(yàn)用45Mn2鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.試驗(yàn)參數(shù)及方法

本次試驗(yàn)采用普通臺(tái)車電阻爐，功率100kW。

（1）調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)的選擇 對(duì)45Mn2材料試棒進(jìn)行水-空、油、水基淬火液淬火，45Mn2屬于亞共析鋼，材料的Ac3為770℃，通常淬火溫度選取Ac3以上30～50℃，根據(jù)選取的淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力的大小選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟?。油的冷卻速度慢，所以油淬火溫度選擇常規(guī)淬火溫度860℃；水基淬火液和水的冷卻速度非?？?，因此，在試驗(yàn)時(shí)先采用800℃作為淬火溫度。

因油在低溫區(qū)具有較慢的冷卻速度，所以試棒采用油進(jìn)行淬火，入油冷卻時(shí)間取5s/mm；水基淬火液在高溫區(qū)具有較快的冷卻速度，但當(dāng)工件溫度低于300℃后冷卻速度相當(dāng)于油的冷卻速度，所以水基淬火介質(zhì)冷卻時(shí)間與油相同；因水在工件溫度低于300℃后具有較快的冷卻速度，為了防止工件在低溫區(qū)淬火開裂，冷卻時(shí)間取1～1.5s/mm。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 45Mn2試樣調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)

（2）硬度、金相顯微組織、力學(xué)性能檢測(cè) 對(duì)試樣淬火、回火處理后進(jìn)行硬度、金相組織、力學(xué)性能檢測(cè)，其中試樣表面硬度檢測(cè)采用HBC型錘擊式布氏硬度計(jì)，按照GB/T231—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》規(guī)定檢測(cè)試樣布氏硬度；試樣切片采用TH301洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度；用光學(xué)顯微鏡DM13000M，按照GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》規(guī)定檢測(cè)顯微組織。按GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定檢測(cè)材料抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率；按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定檢測(cè)常溫沖擊吸收能量。

（3）結(jié)果對(duì)比 對(duì)比采用三種不同的淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，試樣的硬度、金相顯微組織、試樣切片硬度的區(qū)別。同時(shí)，根據(jù)試樣水-空控時(shí)淬火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制訂產(chǎn)品調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.45Mn2材料試樣試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用表2中參數(shù)處理后試樣切片如圖1所示，淬火后切片硬度見(jiàn)表3，回火后切片硬度見(jiàn)表4，回火后相對(duì)應(yīng)的金相顯微組織如圖2所示，金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，力學(xué)性能見(jiàn)表6。

圖1 試樣切片及硬度檢測(cè)部位示意

從表3、表4分析得出：采用三種不同的淬火冷卻介質(zhì)處理后，工件淬火后都得到馬氏體組織（45Mn2材料半馬氏體硬度為45HRC），其中，采用油淬火后淬硬層深度為10mm，采用水基淬火介質(zhì)淬硬層深度為20mm，采用水-空淬火淬硬層深度為30mm，采用表2工藝參數(shù)回火后，因回火溫度高，油淬試樣切片硬度與水基淬火介質(zhì)試樣切片硬度低于技術(shù)要求，水-空淬火試樣切片硬度符合技術(shù)要求。

表3 不同淬火冷卻介質(zhì)淬火后切片的硬度值 （HRC）

表4 調(diào)質(zhì)后切片的硬度梯度值 （HRC）

圖2 采用三種介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后45Mn2試樣金相組織

表5 不同淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后金相結(jié)果

表6 不同淬火冷卻介質(zhì)下的力學(xué)性能結(jié)果

從圖2、表5分析得出：金相顯微組織采用水基淬火介質(zhì)組織最好，水-空淬火次之，油淬火組織最差為4～5級(jí)。采用油淬火組織差的原因主要是油的冷卻速度慢，在淬火過(guò)程中，部分奧氏體因冷卻速度不足，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，甚至有部分條狀及塊狀鐵素體析出。

從表6可以看出：各項(xiàng)力學(xué)性能油的抗拉強(qiáng)度最好，水-空次之；但水-空的屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊吸收能量等性能最好。所以綜合考慮，水-空淬火各項(xiàng)性能較佳。

綜合考慮硬度、淬硬層深度、金相顯微組織、各項(xiàng)力學(xué)性能，認(rèn)為45Mn2材料水-空淬火工藝可行，制訂45Mn2材料軸承座調(diào)質(zhì)工藝。

2.45Mn2材料水-空控時(shí)淬火工藝在軸承座調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用實(shí)例

（1）軸承座技術(shù)要求及調(diào)質(zhì)熱處理參數(shù) 技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理280～320HBW，工藝徑向留加工量4mm。要求工件處理后徑向變形≤2mm。調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)：裝爐方式見(jiàn)圖3，淬火溫度選擇800℃，回火溫度550℃，保溫時(shí)間90min。每次水冷卻時(shí)間為取1～1.5s/mm。共試驗(yàn)10件，具體調(diào)質(zhì)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

圖3 軸承座裝爐方式示意

表7 軸承座調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

（2）試驗(yàn)結(jié)果與分析 從表7分析得出，軸承座采用上述工藝參數(shù)處理后，硬度滿足技術(shù)要求280～320HBW，且工件外圓徑向變形小于1.0mm，滿足工藝變形要求，工件無(wú)開裂現(xiàn)象。

采用水-空控時(shí)淬火變形小的原因是工件在淬火過(guò)程中，工件各處冷卻速度相當(dāng)；工件在高溫期冷卻速度快，熱應(yīng)力增大，同時(shí)可抵消大部分組織應(yīng)力。

采用水-空控時(shí)淬火的關(guān)鍵點(diǎn)在于控制工件在高溫期快的冷卻速度、低溫期慢的冷卻速度。在高溫期采用水作為淬火冷卻介質(zhì)，從而獲得大于臨界冷卻速度，確保奧氏體不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，大部分直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而在低于Ms點(diǎn)以下的低溫區(qū)，采用空氣作為淬火冷卻介質(zhì)，獲得較低的冷卻速度，以減少工件的組織應(yīng)力。如在高溫期冷卻速度不足，則造成工件淬火后硬度低，如在低溫區(qū)冷卻速度太快，則會(huì)造成工件組織應(yīng)力過(guò)大，當(dāng)組織應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)開裂。

三、結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)實(shí)際淬火經(jīng)驗(yàn)得出，45Mn2材料采用水-空控時(shí)淬火工藝可行，淬火溫度選擇800℃，當(dāng)工件的有效厚度≤60mm時(shí)，水冷卻總時(shí)間為取1～1.5s/mm（水溫低取下限，水溫高選擇上限），分2～3次進(jìn)行冷卻?？绽鋾r(shí)間以工件在空氣中返熱溫度超過(guò)320℃為界限，當(dāng)工件返熱溫度超過(guò)320℃，工件再次入水冷卻（45Mn2材料Ms點(diǎn)為320℃）。

（2）采用此種工藝方式處理后，工件硬度滿足技術(shù)要求，變形≤1mm，金相組織滿足GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）采用此種工藝的優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)約成本，就軸承座與原來(lái)的工藝相比，每年可節(jié)約工裝成本8000元，節(jié)約電費(fèi)14000元，節(jié)約油耗32000元，總計(jì)54000元；二是減少油煙對(duì)環(huán)境的污染，改善了員工的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)在淬火過(guò)程中不會(huì)發(fā)生火災(zāi)。但缺點(diǎn)是淬火操作過(guò)程中對(duì)操作者的技能要求高，在淬火過(guò)程中如操作不當(dāng)，容易造成工件開裂。因此，建議購(gòu)買新的淬火設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通過(guò)數(shù)控控制工件冷卻時(shí)間，減少人為因素，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

（20131104）