磨削淬火對(duì)60Si2Mn鋼性能的影響

吳良芹

(沙洲職業(yè)工學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 張家港 215600)

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磨削淬火對(duì)60Si2Mn鋼性能的影響

吳良芹

(沙洲職業(yè)工學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 張家港 215600)

摘要：采用剛玉砂輪在普通平面磨床上對(duì)60Si2Mn鋼進(jìn)行了磨削硬化，研究其硬化層組織及變化規(guī)律。結(jié)果表明:表面磨削強(qiáng)化工藝可獲得760HV以上的高硬度淬硬層，最大淬硬層深達(dá)2.0 mm；磨削淬火加熱速度極快，細(xì)化了奧氏體晶粒，淬火馬氏體組織非常細(xì)小，得到板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。

關(guān)鍵詞：磨削；表面硬化；馬氏體；維氏硬度

0引言

磨削淬硬是利用磨削過(guò)程中產(chǎn)生的磨削熱直接對(duì)可淬硬鋼件進(jìn)行表面淬火的新工藝。該工藝可以替代感應(yīng)淬火、火焰淬火和激光淬火等常用表面熱處理工藝，減少零件熱處理工序，并能減少排放物對(duì)環(huán)境的污染，屬于典型的綠色制造和清潔化生產(chǎn)模式[1-3]。磨削淬火可以將淬火工藝與磨削加工集成到一條生產(chǎn)線(xiàn)上，達(dá)到簡(jiǎn)化工藝、降低成本的目的，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；還可以減少有害物質(zhì)的排放及環(huán)境的污染。

自1994年德國(guó)的Brinksmeier.E和Brockhoff.T 提出了磨削淬硬工藝以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后針對(duì)GCr15鋼、65Mn鋼、40Cr鋼等進(jìn)行了磨削硬化試驗(yàn)研究，并取得了若干創(chuàng)新成果[4-7]。本文以60Si2Mn鋼為試驗(yàn)試樣，在平面磨削硬化的基礎(chǔ)上，研究其硬化層組織及在不同磨削條件下硬化層組織的變化規(guī)律。

1試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)材料選用60Si2Mn鋼板，其主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：0.61% C，0.24% Cr，1.64% Si，0.76% Mn，0.025% P，0.01% S。一部分試樣經(jīng)過(guò)850 ℃油冷淬火后制成試樣，再用3%~5%硝酸酒精溶液腐蝕，制成金相試樣后通過(guò)顯微鏡觀察金相組織。其余試樣分組進(jìn)行單程磨削淬火試驗(yàn)，選用M7130型普通平面磨床為磨削淬火試驗(yàn)?zāi)ゴ?，采用磨削試?yàn)工藝條件見(jiàn)表1。

表1　磨削試驗(yàn)工藝條件

磨削淬硬后，沿磨削淬硬層深度方向切取試樣，研磨拋光試樣后，用3%~5%硝酸酒精溶液腐蝕，制成金相試樣。分別用HVS-1000型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度和KH-7700的HIROX三維視頻顯微鏡掃描金相組織。測(cè)量硬度時(shí)加載載荷為4.9 N，加載時(shí)間15 s，測(cè)取3點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1　金相組織

在顯微鏡下觀察淬火后試樣，發(fā)現(xiàn)在850℃常規(guī)淬火工藝下得到的馬氏體組織大部分為片狀馬氏體，存在少量局部板條狀馬氏體，在板條馬氏體之間分布著塊狀殘余奧氏體，如圖1所示。而在磨削淬火后獲得的馬氏體組織則較常規(guī)淬火得到的馬氏體組織細(xì)小，如圖2所示。

圖1　常溫(870 ℃)淬火的金相組織

圖2　60Si2Mn磨削淬火組織

由于隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大，而板條馬氏體的尺寸也逐漸長(zhǎng)大；另外，殘余奧氏體量也隨淬火溫度升高而增多。因?yàn)轳R氏體產(chǎn)生時(shí)相變體積膨脹，淬硬層會(huì)表現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)；在沿淬硬層與基體交界處的兩界面處，晶粒呈現(xiàn)伸長(zhǎng)變形；同時(shí)在磨削面的最外層晶粒也呈現(xiàn)拉長(zhǎng)變形，如圖2a所示。由于磨削淬火溫度由外向里逐漸降低，通過(guò)顯微鏡發(fā)現(xiàn)里層的板條馬氏體和殘余奧氏體變少，而馬氏體內(nèi)沿晶界處存在較為明顯的回火現(xiàn)象，如圖2b所示。另外，由于工件表面在磨削加工時(shí)承受剪切應(yīng)力作用的原因，工件表面材料在切屑形成時(shí)沿著剪切力方向產(chǎn)生塑形變形，從而使工件表層晶粒呈現(xiàn)拉長(zhǎng)變形。

從以上現(xiàn)象可以得出：磨削淬火過(guò)程中溫升速度極高，導(dǎo)致過(guò)熱度很大，促使奧氏體轉(zhuǎn)變向高溫區(qū)偏移，轉(zhuǎn)變溫度升高顯著。而靠近基體處的溫度較低，使得磨削淬火時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變不徹底，并導(dǎo)致原始組織中網(wǎng)狀鐵素體無(wú)法充分溶解。另由于磨削速度快，工件里層溫度較低，工件基體無(wú)法產(chǎn)生相變，其金相組織仍為鐵素體和珠光體的混合組織[6]。

2.2　試樣硬度

在磨削淬硬過(guò)程中，以不同切削深度進(jìn)行磨削淬火加工，然后測(cè)試其硬化層硬度。根據(jù)淬硬層中各測(cè)量點(diǎn)的維氏硬度值可以得到磨削淬硬層硬度變化曲線(xiàn)，如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，所有切深的磨削淬硬層硬度都可達(dá)550HV以上，且淬硬層硬度隨著切深增加而升高，試驗(yàn)中測(cè)得最大淬硬層厚度超過(guò)2.0mm。因此，60Si2Mn鋼磨削淬火硬度能夠達(dá)到普通淬火條件下550HV的硬度標(biāo)準(zhǔn)，并可以得到較深的淬硬層。

圖3　硬度變化曲線(xiàn)

3分析與討論

3.1　磨削溫度作用

磨削硬化是利用磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，使工件表層溫度上升，達(dá)到相變溫度并奧氏體化；在磨削應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)作用下奧氏體晶?！八榛?，然后通過(guò)工件的快速冷卻，實(shí)現(xiàn)自冷淬火[5]。因在磨削淬硬過(guò)程中，工件表面的加熱速度達(dá)到103℃/s，使得奧氏體中碳含量不等，成分不均勻性顯著加劇，使得磨削冷卻后獲得板條狀馬氏體的淬火組織。

3.2　硬化層組織的形成

在磨削淬火中，磨削熱能量密度非常大，導(dǎo)致在奧氏體化過(guò)程中先共析的鐵素體無(wú)法完全溶解，碳原子擴(kuò)散不充分，從而導(dǎo)致部分奧氏體中含碳量增大；由于碳濃度的分布不均勻，奧氏體晶粒細(xì)小，從而使奧氏體強(qiáng)度得到了

提高。60Si2Mn鋼屬中碳合金彈簧鋼，其馬氏體相變溫度Ms點(diǎn)約為300℃，在磨削淬火冷卻至室溫時(shí)，碳原子擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生偏聚區(qū)。在磨削淬火過(guò)程中，工件表面的溫度變化速度極快，工件承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)伴有塑性變形，淬火后馬氏體組織的晶格畸變?cè)龃?、畸變能較高。在試驗(yàn)中觀察到，磨削淬火馬氏體組織中有明顯的自回火現(xiàn)象。

3.3　磨削條件的影響

在其他磨削工藝條件不變時(shí)，隨著磨削深度αp的增加，砂輪與工件接觸時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，表面加熱溫度隨之升高，奧氏體晶粒細(xì)化；同時(shí)奧氏體晶粒殘余應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致奧氏體晶?！八榛薄⑽诲e(cuò)密度較高。由于升溫極快，沒(méi)有保溫時(shí)間，形成的奧氏體均細(xì)小，冷卻后均得到細(xì)小的馬氏體組織。

通常情況下，材料硬度越高，磨削熱和磨削力也就越大。在不改變其他磨削工藝條件時(shí)，退火態(tài)試樣硬度比調(diào)質(zhì)態(tài)試樣的低、磨削力小、磨削熱量少，試樣表面溫度低[4]。因此，磨削淬火形成的奧氏體晶粒不容易長(zhǎng)大。

4結(jié)論

1) 60Si2Mn鋼磨削淬火后可以得到較為細(xì)小的馬氏體，晶粒在沿淬硬層內(nèi)與基體交界面法向呈現(xiàn)伸長(zhǎng)變形，馬氏體內(nèi)存在自回火現(xiàn)象。

2) 60Si2Mn磨削淬硬層的硬度很高，達(dá)到760HV以上，淬硬層硬度隨著切深增加而升高，最大淬硬層可達(dá)2.0mm以上。

參考文獻(xiàn):

[1] Brinksmeier E, Brockhoff T. Randschicht-W?rmebehandlung dursh Schleifen[J]. Harterei-Techn- Mitt,1994,49⑸: 327-330.

[2] Brockhoff T. Grinding-Hardening: A Comprehensive View[J]. Annals of the CIRP,1999,48⑴: 255-260.

[3] Zarudi I, Zhang L C. Mechanical Property Improvement of Quenchable Steel by Grinding[J]. Journal of Materials Science, 2002, 37(18): 3935-3943.

[4] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 非淬硬鋼磨削表面硬化層的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2005,16(11):1013-1017.

[5] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 65Mn鋼磨削硬化層組織的研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2004，15(17):1573-1576.

[6] 王曉燕. F48MnV鋼磨削強(qiáng)化機(jī)理研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué).2008.

[7] 劉菊東，王貴成，陳康敏，等. 中碳鋼緩進(jìn)干磨表面硬化層特征[J]. 金屬熱處理,2005,30(12):35-38.

Effect of Grinding Hardening stay on 60Si2Mn Steel

WU Liang-qin

(Department Mechanical and Electrical Engineering，Shazhou Polytechnical Institute of Technology， Zhangjiagang 215600，China)

Abstract:The grind-hardening of steel 60Si2Mn is carried out on a conventional surface grinder by use of alumina grinding wheel and the microstructures of hardened layer are investigated. The results show that the micro-hardness of the grind-hardening layer is more than 760HV, and the thickness of grinding hardened martensite layer is up to 2.0 mm. Due to the fast speed of grinding hardening refines the austenite grain size and quenched martensitic microstructure are refined，and conformity microstructure of lathmartensite and plate martensite is obtained.

Keywords:grinding; superficial hardening; martensite; Vickers-hardness

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0076-02

作者簡(jiǎn)介：吳良芹(1975-)男，江蘇泰州人，講師，碩士，研究方向：車(chē)輛工程、機(jī)械工程。

基金項(xiàng)目：江蘇省高等職業(yè)院校高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)工程師計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013)

收稿日期：2014-11-21