淬火介質(zhì)對GCr15鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響

王 桂

(寶塔實業(yè)股份有限公司，銀川 750021)

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淬火介質(zhì)對GCr15鋼力學(xué)性能和顯微組織的影響

王 桂

(寶塔實業(yè)股份有限公司，銀川 750021)

通過對GCr15鋼進行鹽浴淬火和油浴淬火后，研究不同淬火介質(zhì)及淬火方式對GCr15鋼力學(xué)性能、硬度、顯微組織的影響。結(jié)果表明：采用鹽浴淬火比油浴淬火，其抗拉強度提高3.31%，沖擊韌性降低1.16%、硬度降低0.89%，顯微組織更細(xì)小。鹽浴淬火與油浴淬火GCr15鋼材料總體性能相當(dāng)，采用鹽浴淬火工藝可有效替代油浴淬火工藝。

GCr15鋼；淬火介質(zhì)；力學(xué)性能；顯微組織

0 引言

GCr15鋼是過共析鋼，由于Cr的加入，除了增加鋼的淬透性外，在鋼中部分溶于鐵素體，部分溶于滲碳體，形成較穩(wěn)定的合金滲碳體(Fe、Cr)3C。含Cr的合金滲碳體在淬火加熱時溶解較慢，可減少過熱傾向，經(jīng)過熱處理后，可以得到較細(xì)的組織，碳化物能以細(xì)小質(zhì)點均勻分布于鋼中，Cr也可以提高馬氏體的低溫回火穩(wěn)定性，因此在淬火和低溫回火后能得到均勻、高的硬度，有效地提高鋼的耐磨性并使鋼具有高的強度[1-4]。Cr的加入，同時降低了碳在奧氏體中的溶解度，使共析點“S”左移。GCr15鋼冷卻大時，在淬火溫度小于245 ℃，由于C的擴散能力較小，C在鐵素體里擴散比在奧氏體里擴散容易，碳化物在過飽和鐵素體片上析出，顯微組織呈針狀下貝氏體，具有硬度、強度高，韌性好的綜合機械性能指標(biāo)[5-9]。就冷卻曲線而言，油存在蒸汽膜階段，而鹽沒有，鹽的高溫區(qū)域冷速較快，低溫冷速慢，只是鹽浴淬火高溫區(qū)冷速比油快[10]。

目前，淬火油的價格日益上漲，為了節(jié)約成本，鹽浴淬火的應(yīng)用越來越廣泛，為此，研究GCr15鋼采用不同淬火介質(zhì)對材料硬度、顯微組織、力學(xué)性能等的影響，為不同淬火介質(zhì)選用提供參考和依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用等溫鹽浴淬火和光亮淬火油對GCr15鋼進行淬火。等溫鹽浴淬火劑采用50%KNO3+50%NaNO2+2%H2O(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，淬火油采用光亮淬火油，其閃點為188 ℃、粘度為23.71 mm2/s、最大冷卻速度vmax=95.4 ℃/s、特性溫度為593.3 ℃。GCr15鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗鋼的主要化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

淬火用的試樣為整體大試樣，試樣主要包括拉伸部分、硬度分析和金相分析等幾個部分，拉伸試樣尺寸示意圖如圖1a所示，沖擊用試樣尺寸示意圖如圖1b所示。

1.2 熱處理工藝

1)鹽浴淬火工藝。

將5個拉伸試樣和5個沖擊試樣裝入料筐(600 mm×900 mm)，推進型號為VKGS5/2-90/85/150CN、溫度升到865 ℃的箱式多用爐(采用天然氣、甲醇保護氣氛)內(nèi)，等爐溫再次升到865 ℃，保溫20 min后出爐，采用240 ℃、50%KNO3+50%NaNO2的硝酸鹽浴保溫4 h后將零件拉出，在風(fēng)冷臺用熱分風(fēng)吹30 min后，推進清洗機清洗。具體工藝曲線見圖2a所示。

2)油浴淬火工藝。

將5個拉伸試樣和5個沖擊試樣裝入料筐(470 mm×470 mm)，推進型號為RJGD-250，溫度升到865 ℃的中日輥底爐(采用天燃?xì)獗Ｗo氣氛)內(nèi)，待爐溫再次升到865 ℃，保溫20 min后出爐，采用80 ℃光亮淬火油浴淬火20 min后，進入60 ℃的清洗槽清洗，再進入爐溫為165 ℃的回火爐，回火4 h后出爐。具體淬火、回火工藝曲線見圖2b。

圖1 拉伸和沖擊試樣示意圖

圖2 不同淬火方式的工藝曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

將兩種熱處理方式的試樣按GB/T 228.1—2010進行拉伸試驗測試，結(jié)果見3a。按GB/T 229—2007中標(biāo)準(zhǔn)尺寸夏比V型缺口，在常低溫沖擊試驗機進行沖擊試驗測試，結(jié)果見3b。

通過圖3中的數(shù)據(jù)計算得出，鹽浴淬火后抗拉強度、沖擊韌性的平均值為1 883.4 MPa、3.40 J，油浴淬火后抗拉強度、沖擊韌性的平均值為1 823.0 MPa，3.44 J。且鹽浴淬火的抗拉強度平均值比油浴淬火高60.4 MPa，高3.31%，鹽浴淬火的沖擊韌性平均值比油浴淬火低0.04 J，低1.16%。

2.2 硬度及顯微組織

將2種熱處理方式的試樣按JB/T 1255—2014《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，采用洛氏硬度計進行硬度檢測，具體硬度值見圖4。采用圖4中的數(shù)據(jù)計算可得出，鹽浴淬火與油浴淬火的洛氏硬度HRC平均值分別為59.68、60.22；鹽浴淬火比油浴淬火低0.54,即低0.89%。

圖3 抗拉強度與沖擊韌性對比曲線

圖4 洛氏硬度對比曲線

在硬度測試的試樣中取不同淬火介質(zhì)淬火的試樣各1個，進行機械研磨，拋光后制備金相試樣，經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精腐蝕后，在顯微鏡下觀察其顯微組織，如圖5所示。

由于鹽浴淬火在高溫區(qū)冷速比油快，就冷卻曲線而言，油存在蒸汽膜階段，而鹽沒有，所以淬火后馬氏體組織更細(xì)，屈氏體出現(xiàn)可能性小。鹽浴淬火的最大好處是可通過含水量來控制鹽的淬火烈度，生產(chǎn)效率高[11]。由于鹽的熱熔大，工件的淬火均勻性較好，且鹽的化學(xué)穩(wěn)定性好，可長期使用，而淬火油面臨老化問題。從圖5可以看出,GCr15鋼采用2種不同淬火工藝，其顯微組織均為馬氏體+少量殘余奧氏體，但鹽浴淬火的顯微組織比油浴淬火的級別稍低一些。

圖5 不同淬火方式顯微組織對比

3 結(jié)論

1)GCr15鋼采用鹽浴淬火較油浴淬火時，其抗拉強度高3.31%，沖擊韌性低1.16%，硬度低0.89%。

2)GCr15鋼采用鹽浴淬火和油浴淬火其顯微組織均為馬氏體+少量殘余奧氏體。

3)GCr15鋼可采用成本更低的鹽浴淬火代替油浴淬火。

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Effects of Quenching Media on Mechanical Property and Microstructure of GCr15 Steel

WANG Gui

(BaoTaIndustryCo.,Ltd.,Yinchuan750021,China)

The effects of different quenching media and methods on the mechanical properties, hardness and microstructure of GCr15 steel were investigated. The result shows that the tensile strength by salt quenching is 3.31% higher than that by oil quenching, the impact toughness by salt quenching is 1.16% lower than that by oil quenching, the hardness by salt quenching is 0.89% lower than that by oil quenching, and the microstructure by salt quenching is slightly finer. The general performance of CCr15 steel by salt quenching is close to that by oil quenching. Salt quenching process can substitute oil quenching process.

GCr15 steel; quenching media; mechanical property; microstructure

2016年3月15日

2016年5月16日

王桂(1977年- )，女，工程師，主要從事熱處理工藝制定等方面的研究。

TG156.32

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.004

1673-6214(2016)03-0148-03