檢測(cè)過(guò)程對(duì)40MnBH鋼末端淬透性的影響與控制*

楊順虎, 徐　浩， 楊　軍， 喬盼峰

(1. 東北大學(xué)材冶學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)　110006；2. 江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安　223002)

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檢測(cè)過(guò)程對(duì)40MnBH鋼末端淬透性的影響與控制*

楊順虎1,2, 徐浩2， 楊軍2， 喬盼峰2

(1. 東北大學(xué)材冶學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng)110006；2. 江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司， 江蘇 淮安223002)

介紹了末端淬透性的試驗(yàn)原理，通過(guò)一系列相關(guān)因素的試驗(yàn)及分析，提出控制淬透性試驗(yàn)準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。

熱處理； 末端淬透性； 試樣； 洛氏硬度

1　末端淬透性實(shí)驗(yàn)原理

淬透性是鋼的一種重要的熱處理工藝性能，是鋼的一種屬性，指鋼在淬火時(shí)形成馬氏體的能力。淬透性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)通常認(rèn)為：除馬氏體外，允許含有一定量的非馬氏體組織。一般采用表面至半馬氏體組織(即該層是由50%馬氏體和50%非馬氏體組織組成)的距離作為淬硬層深度，并用這個(gè)淬硬層深度作為評(píng)定淬透性的標(biāo)準(zhǔn)。淬透層越深，表明鋼的淬透性越高[1]。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T225-2006)規(guī)定，鋼的淬透性用末端淬火法測(cè)定。測(cè)定時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)試樣(Φ25 mm×100 mm)按規(guī)定的奧氏體化條件加熱后，迅速取出放入末端淬火試驗(yàn)機(jī)的試樣架孔中，立即由末端噴水冷卻。因試樣是一端噴水冷卻，故水冷端的冷卻速度最快，越往上冷卻速度越慢，頭部的冷速相當(dāng)于空冷。因此沿試樣長(zhǎng)度方向上由于冷卻條件的不同，獲得的組織和性能也將不同。冷卻完畢后沿試樣兩側(cè)長(zhǎng)度方向每隔一定間距測(cè)量一個(gè)硬度值，即可得到沿長(zhǎng)度方向上的硬度變化情況。

2　影響末端淬透性測(cè)定的主要因素與控制

2.1試樣坯料的制取與控制

圖1　檢驗(yàn)面位置(單位：mm)

2.2熱處理操作的影響與控制

試樣坯料在進(jìn)行熱處理時(shí)，熱處理操作的準(zhǔn)確性、規(guī)范性對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果有著較大的影響[2]。首先按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求確定試驗(yàn)溫度，并對(duì)爐溫進(jìn)行較準(zhǔn)，

表1　取樣位置對(duì)淬透性值的影響

確保爐溫準(zhǔn)確。試樣坯料熱處理工藝過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按GB/T225-2006標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行控制。

(1)加熱爐的選擇會(huì)影響淬透性，在實(shí)際操作中這是很重要的，往往容易忽視。例如用箱式電爐就比鹽浴爐產(chǎn)生的氧化、脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)降低淬透性。

(2)熱處理時(shí)應(yīng)將試樣坯料放置在爐中溫度較為均勻處。

(5)試樣從爐中取出放在支座上定位期間，只能用鉗子夾住非淬火端的凸緣處或凹槽處;噴水時(shí)間大于10 min，此后可將試樣浸入冷水中完全冷卻。

下面以Φ58 mm的40MnBH鋼為例(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求淬火溫度為850±5 ℃)，1#試樣淬火溫度為870 ℃，2#試樣淬火溫度為850 ℃，3#試樣淬火溫度為830 ℃，淬火時(shí)間為11 min，3個(gè)試樣其他步驟按GB/T225-2006規(guī)定執(zhí)行。如表2所示，控制加熱溫度能在一定程度上影響淬透性。

表2淬火溫度對(duì)淬透性值的影響

鋼種坯料規(guī)格/mm淬火溫度/℃鋼字號(hào)硬度值J1.5J3J5J7J9J11J13J15J20J25J3040MnBH588708508301#2#3#58.658.657.756.554.752.541.035.629.128.326.359.058.456.855.455.150.140.836.330.827.626.058.358.457.256.254.049.140.834.429.827.726.458.658.056.755.954.649.841.434.529.727.825.758.556.256.254.752.148.038.331.228.626.325.257.655.754.553.653.648.937.832.926.525.825.0

2.3末端淬透性試樣的制備

GB/T225-2006中，具體淬火裝置示意圖如圖2所示。

2.3.1試樣厚度對(duì)末端淬透性的影響

下面以Φ58 mm的40MnBH鋼為例，

GB/T225-

圖2　淬火裝置示意圖(單位：mm)

2.3.2試樣長(zhǎng)度、淬火裝置噴水高度對(duì)末端淬透性的影響與控制

同樣以Φ58 mm的40MnBH鋼為例，GB/T225-2006中用機(jī)加工方法制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣長(zhǎng)度為(100±0.5)mm，把1#試樣制成長(zhǎng)度為100.0 mm試樣、2#試樣制成長(zhǎng)度為97.0 mm試樣、3#試樣制成長(zhǎng)度為103.0 mm試樣，3個(gè)試樣其他步驟均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

以Φ58 mm的40MnBH鋼為例，GB/T225-2006規(guī)定無(wú)試樣放置時(shí)水射流的高度為(65±10)mm。而試驗(yàn)中把1#試樣無(wú)試樣放置時(shí)水射流的高度定為70 mm、2#試樣無(wú)試樣放置時(shí)水射流的高度定為65 mm、3#試樣無(wú)試樣放置時(shí)水射流的高度定為60 mm，3個(gè)試樣其他步驟均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表3　試樣直徑對(duì)淬透性值的影響

表4　試樣長(zhǎng)度對(duì)淬透性值的影響

表5　淬火裝置噴水高度對(duì)淬透性值的影響

如表4，5所示，控制由水廂水壓決定的水柱高度、水柱與試樣端部距離都能影響淬透性。

2.3.3水溫對(duì)末端淬透性的影響與控制

熱處理冷卻介質(zhì)的冷卻特性和冷卻速度，對(duì)鋼的淬透性也有很大影響。冷卻速度快的，淬透性就提高，冷卻速度慢，淬透性就降低[3]。下面以Φ58 mm的40MnBH鋼為例，GB/T225-2006要求淬火時(shí)噴水裝置的水溫為(20±5)℃，把1#試樣淬火時(shí)水溫設(shè)為25 ℃、2#試樣淬火時(shí)水溫設(shè)為21 ℃、3#試樣淬火時(shí)水溫設(shè)為17 ℃，3個(gè)試樣其他步驟均按GB/T225-2006規(guī)定執(zhí)行。測(cè)試結(jié)果如表6所示，控制淬火時(shí)噴水裝置的水溫也能影響淬透性。

2.3.4末端淬透性試樣檢測(cè)面加工的影響與控制

根據(jù)GB/T225-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，端淬后的試樣加工控制有如下要求：

(1)當(dāng)采用機(jī)加工制取試樣時(shí)，應(yīng)在每次磨制前應(yīng)對(duì)平面磨床砂輪進(jìn)行檢查、修磨；應(yīng)在平行于試樣軸線方向上磨制兩個(gè)相互平行的平面，用于測(cè)量硬度；測(cè)量硬度的兩個(gè)平面應(yīng)處于與試料表面相同的距離處。

表6　水溫對(duì)淬透性值的影響

(2)磨制硬度測(cè)試平面時(shí)，必須用充足的冷卻液進(jìn)行冷卻，防止試樣由于磨削生熱而引起組織發(fā)生變化。

(3)試樣磨制過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制磨床的進(jìn)刀量，每次應(yīng)不大于0.05 mm，磨削深度應(yīng)為0.4～0.5 mm，試樣磨制面寬度應(yīng)控制在5～7 mm范圍內(nèi)。

(4)在試樣加工過(guò)程中，應(yīng)避免磨制面深淺不一或兩磨制面相互不平行的現(xiàn)象。

(5)保證試樣磨制面的粗糙度符合Ra≤0.8μm的要求。

下面以Φ58 mm的40MnBH鋼為例，測(cè)試其在不同粗糙度時(shí)的端淬結(jié)果，測(cè)試中以GB/T225-2006標(biāo)準(zhǔn)要求的合格的粗糙度為標(biāo)準(zhǔn)參考值。表面粗糙度采用手持式粗糙度儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表7所示，可見(jiàn)隨著試樣表面粗糙度值的升高，硬度值會(huì)降低。

表7　表面粗糙度對(duì)淬透性值的影響

2.5洛氏硬度值的測(cè)量的影響與控制

2.5.1規(guī)定測(cè)試點(diǎn)位置的準(zhǔn)確定位

如果試驗(yàn)單位采用的是瑞士ERNST公司生產(chǎn)的帶自動(dòng)定位系統(tǒng)的洛氏硬度機(jī)，測(cè)試點(diǎn)位置由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)確定，那就可以保證測(cè)試點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。

如果試驗(yàn)條件所限，采用手動(dòng)洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行末端淬透性檢驗(yàn)時(shí)，測(cè)試點(diǎn)的定位可采用游標(biāo)卡尺在試樣檢測(cè)面劃線定位的方式來(lái)完成，但手工劃線若不準(zhǔn)確，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5.2測(cè)定洛氏硬度值時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)在GB/T225-2006規(guī)定期限內(nèi)請(qǐng)計(jì)量部門(mén)按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的加荷速度、保載時(shí)間和卸載時(shí)間進(jìn)行檢定，確保試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好。

(2)每次試驗(yàn)前應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)誤差范圍做出記錄，適當(dāng)時(shí)可對(duì)所測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行修正。

(3)測(cè)試洛氏硬度值時(shí)，手動(dòng)式洛氏硬度計(jì)檢驗(yàn)?zāi)┒舜阃冈嚇訒r(shí)可以在測(cè)試點(diǎn)1.5 mm處打一空點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)試樣應(yīng)沿著載物臺(tái)面平行地將試樣移動(dòng)，在檢測(cè)過(guò)程中試樣不能離開(kāi)載物臺(tái)面，保證試樣平面的中心線對(duì)準(zhǔn)壓頭，且使壓痕位置的精度在±0.1 mm，以確保測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試準(zhǔn)確性。采用自動(dòng)定位系統(tǒng)的洛氏硬度機(jī)，不需進(jìn)行以上操作。

(4)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試硬度時(shí)第一個(gè)平面上壓痕的凸起邊緣不會(huì)影響第二個(gè)平面的測(cè)試。

(5)通常只有用手動(dòng)式洛氏硬度計(jì)測(cè)量時(shí)，才用平面磨或水砂紙進(jìn)行修磨，正常帶自動(dòng)定位系統(tǒng)的自動(dòng)式硬度計(jì)無(wú)需修磨。

2.6影響鋼的末端淬透性試驗(yàn)結(jié)論

檢測(cè)過(guò)程對(duì)鋼的末端淬透性試驗(yàn)的影響與控制，在實(shí)驗(yàn)條件下得出如下結(jié)論：

(1)試樣坯料的制取過(guò)程中，中心取樣會(huì)因?yàn)殇摰牡捅督M織、成分偏析等原因?qū)е聝蓽y(cè)試面淬透性值相差較大，J7最大差值達(dá)5.1，因此取樣要控制為偏心取樣。

(2)試樣坯料在熱處理時(shí)，設(shè)備的選擇、設(shè)備控溫精度會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度提高20℃，淬透性值相差會(huì)有1～2 HRC，因此設(shè)備的選擇及操作必須控制其準(zhǔn)確性、規(guī)范性。

(3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣的直徑大、試樣的長(zhǎng)度小、淬火裝置的噴水高度低、淬火的水溫高都會(huì)影響著鋼的淬透性，其值相對(duì)要低1～2HRC。因此，要對(duì)試樣的加工過(guò)程、淬火水柱高度、淬火水溫加以控制。

(4)端淬試驗(yàn)試樣的機(jī)加工、洛氏硬度值的檢測(cè)都會(huì)對(duì)末端淬透性的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)粗糙度高的試樣，硬度值會(huì)低1HRC,因此末端淬透性試驗(yàn)時(shí)，要按標(biāo)準(zhǔn)控制試樣加工、檢驗(yàn)步驟，保證淬透性檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)40MnBH鋼的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)得出影響其末端淬透性測(cè)定的影響因素有試樣坯料的制取、熱處理操作的準(zhǔn)確性、末端淬透性試樣的制備、洛氏硬度值的測(cè)量和人為因素等，必須在檢測(cè)過(guò)程中加以控制。

[1]劉學(xué)勤.常用鋼淬透性圖冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]劉虎林.金屬材料知識(shí)手冊(cè)[M]. 長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社, 1981.

[3]吳秀恂,周光裕.鋼的淬透性應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

2015-09-25

楊順虎(1974—)，男，高級(jí)工程師 。E-mail： YSH3754134@163.com

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