65Mn鋼彈墊貝氏體等溫淬火工藝

王意忠，張 納，張先鳴

(1.廣東史特牢緊扣系統(tǒng)有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500； 2.威盧克斯(中國(guó))有限公司，河北 廊坊 065000)

常用的彈墊材料是碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金彈簧鋼，含碳量一般在0.50%～0.75%范圍，主要采用的鋼材有65、70、65Mn和60Si2Mn等。

彈墊是利用其彈性變形來(lái)吸收和釋放外力，要求成品具有較高的彈性極限、較高的屈強(qiáng)比、高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑韌性[1]。如GB/T 1972(DIN2093)碟形彈簧墊圈和DIN9250防松墊圈，技術(shù)要求硬度為40～52 HRC，鋼材牌號(hào)為65Mn鋼，采用常規(guī)熱處理工藝為淬火+中溫回火，淬火溫度控制在Ac3+(30～50 ℃)，一般選擇800～820 ℃，回火溫度控制在410～430 ℃。淬火+中溫回火工藝，常常可以顯著提高材料的強(qiáng)度，但卻損失了塑性、韌性。然而，0.5～1.6 mm厚的彈墊在生產(chǎn)過(guò)程中更易產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致彈墊質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至成批報(bào)廢。

1 彈墊常見(jiàn)缺陷

1.1 硬度偏差

彈墊技術(shù)要求硬度控制在42～47 HRC，但在生產(chǎn)實(shí)踐中最常見(jiàn)的彈墊缺陷就是硬度偏差、硬度不均勻、不足或過(guò)高。

1.2 氧化與脫碳

氧化與脫碳是熱處理加熱過(guò)程中的缺陷，也是彈墊生產(chǎn)中常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題之一。彈墊脫碳不僅使表面硬度降低，且會(huì)大大降低彈墊的疲勞強(qiáng)度。

1.3 熱處理裂紋

彈墊的熱處理裂紋并不常見(jiàn)，在金相顯微鏡下觀察到的裂紋形狀如圖1所示，裂紋呈橫向沿晶斷裂特征。

圖1 裂紋形狀Fig.1 Crack shape

1.4 脆斷

脆斷是彈墊常見(jiàn)缺陷之一，大致可以分為熱處理(回火脆性)脆斷和電鍍鋅后產(chǎn)生的氫脆。在實(shí)際生產(chǎn)中，彈墊的強(qiáng)度和塑韌性通常是相互矛盾的。淬火+中溫回火合理控制加熱溫度和保溫時(shí)間，且用連續(xù)式網(wǎng)帶加熱爐較好地解決了同一批次硬度不均勻、氧化或脫碳等問(wèn)題，但仍不能滿(mǎn)足市場(chǎng)和客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量日益增長(zhǎng)的要求。

2貝氏體等溫淬火工藝

在中碳鋼和低合金鋼中，熱處理后獲得貝氏體/馬氏體復(fù)相組織會(huì)明顯改善鋼的強(qiáng)韌性；與馬氏體組織相比，含有適量貝氏體/馬氏體復(fù)相組織不僅能夠改善鋼的韌性，還能提高其強(qiáng)度[2]。對(duì)彈墊類(lèi)產(chǎn)品，減少在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，防止早期失效或氫致延遲斷裂，采用貝氏體等溫淬火熱處理技術(shù)[3]，在保證強(qiáng)韌性的同時(shí)，還可提高彈性、耐磨性和抗疲勞、抗氫脆性能。為此，對(duì)彈墊開(kāi)展貝氏體等溫淬火和相關(guān)技術(shù)研究很有必要。

3實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料選用直徑φ12 mm 的65Mn鋼彈墊，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。錳鋼的淬透性好，在油中可以淬透，抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度有所增加，而塑性、韌性有所下降。但表面脫碳傾向比硅鋼小，因而經(jīng)熱處理后的綜合力學(xué)性能要優(yōu)于普通高碳鋼。

65Mn鋼中Mn、Si為脆化元素，具有過(guò)熱敏感性和回火脆性。因此，淬火后其回火溫度范圍應(yīng)避開(kāi)第一類(lèi)回火脆性區(qū)間。本文研究等溫淬火對(duì)彈墊性能和組織的影響，其實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。并與常規(guī)淬火后產(chǎn)品性能和組織進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 65Mn鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 65Mn鋼彈墊熱處理工藝方案

采用DMI3000M徠卡倒置式金相顯微鏡觀察熱處理后65Mn鋼彈墊的顯微組織，腐蝕劑選用4%硝酸酒精溶液。脫碳層表面形貌觀察用100倍放大倍數(shù)，顯微組織用500倍。

65Mn彈墊厚度一般在0.5～1.6 mm左右，采用HXD-1000TMC/LCD自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，洛氏硬度換算成維氏硬度，彈墊的硬度控制在430～460 HV0.2，每件試樣測(cè)3～5個(gè)點(diǎn)，求取三個(gè)試樣的平均值作為試驗(yàn)最終結(jié)果。

彈墊的脆性斷裂檢測(cè)在平口鉗上進(jìn)行，將彈墊夾于平口鉗和扳手之間，平口鉗與扳手之間的距離等于彈墊外徑的1/2，以一定力和速度將彈墊順時(shí)針緩慢扭90°不得斷裂。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 保溫時(shí)間對(duì)貝氏體含量的影響

采用金相顯微鏡觀察等溫淬火貝氏體含量，在硝鹽槽內(nèi)保溫80、95、120 min，觀察貝氏體含量分別為82.5%、86%、90%。當(dāng)保溫時(shí)間較短時(shí)(保溫時(shí)間80～95 min)，貝氏體的轉(zhuǎn)變量較少；隨著在硝鹽槽內(nèi)保溫時(shí)間的延長(zhǎng)(保溫95～120 min)，貝氏體轉(zhuǎn)變量明顯增加，但在轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間的后期，貝氏體轉(zhuǎn)變量的增長(zhǎng)速度會(huì)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變緩。

4.2 維氏硬度檢測(cè)

不同的加熱溫度對(duì)65Mn鋼彈墊等溫淬火維氏硬度影響見(jiàn)表3?？梢钥闯觯葴卮慊鹋c常規(guī)普通油淬相比，硬度和強(qiáng)度有所降低，但是彈性、韌性指標(biāo)提高明顯。等溫淬火貝氏體對(duì)強(qiáng)韌性的影響主要?dú)w結(jié)：一是貝氏體轉(zhuǎn)變初期存在少量貝氏體時(shí)，能有效分割?yuàn)W氏體晶粒，起到細(xì)化晶粒作用，從而獲得均勻細(xì)小的馬氏體，有利于力學(xué)性能的提升[4]；二是在貝氏體的周?chē)嬖隈R氏體的擠壓作用，有利于強(qiáng)度、硬度的提高，而當(dāng)貝氏體的含量超過(guò)一定量時(shí)，沖擊韌性將提高明顯。彈墊在疲勞試驗(yàn)機(jī)上同等載荷軸向的加載試驗(yàn)，彈性疲勞壽命可從5萬(wàn)多次，提高至200萬(wàn)次，甚至更高。

表3 不同熱處理工藝下65Mn鋼彈墊維氏硬度

4.3 金相組織

貝氏體組織的組成相對(duì)較為復(fù)雜，它以貝氏體、鐵素體為基體，其組織上可能分布著碳化物、殘余奧氏體、馬氏體等相。合金鋼中貝氏體組織還會(huì)存在殘余奧氏體和M/A島，并涉及到貝氏體、鐵素體的變化、馬氏體的轉(zhuǎn)變、貝氏體碳化物的變化以及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變等問(wèn)題，因而淬火貝氏體組織往往不進(jìn)行回火處理。文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)，等溫淬火后合金鋼主要為“下貝氏體+少量馬氏體+殘余奧氏體以及鐵素體的混合物”組成的復(fù)相組織。本實(shí)驗(yàn)采用830 ℃油淬和430±10 ℃回火工藝，獲得馬氏體位向的回火托氏體+未溶鐵素體組織，見(jiàn)圖2(a)。采用貝氏體等溫淬火工藝，830 ℃加熱→330+5 ℃等溫80 min，獲得粗大下貝氏體+馬氏體、殘余奧氏體以及鐵素體的復(fù)相組織，見(jiàn)圖2(b)；在830 ℃加熱→320+5 ℃等溫90 min，獲得較粗大下貝氏體+少量馬氏體、殘余奧氏體以及鐵素體復(fù)相組織，見(jiàn)圖2(c)；在820 ℃加熱→320+5 ℃等溫95 min，獲得較細(xì)小下貝氏體+少量馬氏體、殘余奧氏體以及鐵素體的復(fù)相組織，見(jiàn)圖2(d)；在810 ℃加熱→320+5 ℃等溫120 min，獲得細(xì)小下貝氏體+適量馬氏體、殘余奧氏體以及鐵素體的復(fù)相組織，見(jiàn)圖2(e)。

(a)1#工藝；(b)2#工藝；(c)3#工藝；(d)4#工藝；(e)5#工藝圖2 不同熱處理工藝下65Mn鋼彈墊的金相組織(a) 1# process; (b) 2# process; (c) 3# process; (d) 4# process; (e) 5# processFig.2 Microstructure of 65Mn steel spring pad under different heat treatment processes

5 結(jié)論

1)等溫加熱溫度對(duì)65Mn鋼彈墊的金相組織和硬度有直接影響。隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，貝氏體等溫淬火組織中殘余奧氏體以及鐵素體含量會(huì)減少，彈性疲勞壽命提高明顯。

2)過(guò)高、過(guò)低的等溫溫度都不利于貝氏體組織的形成，因此需要選擇合理的等溫溫度，原則上以控制獲得約92%下貝氏體，且不低于320 ℃等溫溫度為宜。

3)65Mn鋼彈墊采用810 ℃加熱→320+5 ℃等溫120 min的貝氏體等溫淬火工藝，可獲得細(xì)小下貝氏體+適量馬氏體、殘余奧氏體以及鐵素體的復(fù)相組織，能滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。因此將該工藝推廣至其它緊固件產(chǎn)品具有一定的參考價(jià)值。