分級淬火對40Mn鋼帶性能影響研究①

康泰宇, 郭 純， 營 夢， 李 云

(安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

0 引 言

40Mn鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。其通過不同的加工工藝可用于制造大型軸類鍛件[1]，以及小型的鏈片[2]等零件。相關(guān)的研究均聚焦與熱處理工藝對零件的影響[3]，以及零件的微觀組織和本身的缺陷等[4,5]。相關(guān)的研究也都以熱軋狀態(tài)的40Mn鋼為研究對象，研究結(jié)果表明熱軋狀態(tài)的40Mn鋼中的帶狀組織影響了零件的性能[6-8]，通過調(diào)控制造工藝，以及熱處理工藝消除帶狀組織和中心偏析來改進(jìn)零件的性能。而有關(guān)冷軋40Mn鋼帶的研究暫無報(bào)道。

冷軋狀態(tài)的40Mn鋼帶可制作簡單的小型零件，因此成為制造長尾夾的原材料之一。在研究淬火工藝對零件性能的影響時(shí)，淬火介質(zhì)的選擇也是相當(dāng)重要的因素，鄔曉燕[9]等人研究的淬火工藝對熱軋40Mn鋼帶的組織性能影響時(shí)選擇的淬火介質(zhì)為油和水。熔鹽為淬火介質(zhì)的一種，研究熔鹽作為淬火介質(zhì)對40Mn鋼帶性能及組織影響對指導(dǎo)長尾夾生產(chǎn)，降低能耗及污染等有實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)用40Mn鋼帶為冷軋鋼帶。實(shí)驗(yàn)的試樣尺寸約為100mm×25mm×0.2 mm。實(shí)驗(yàn)所選擇的熔鹽來源為華強(qiáng)化工依據(jù)GB/T2367-201所生產(chǎn)的亞硝酸鈉，其純度為≥99.8%。試樣對照組的數(shù)量為3。

在箱式電阻爐中對試樣進(jìn)行處理。依據(jù)GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸性能測試，設(shè)備為拉伸試驗(yàn)機(jī)UTM-5105。硬度測試使用顯微維氏硬度計(jì)HV-1000Z。硬度測試完成后，對試樣進(jìn)行打磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液對試樣進(jìn)行侵蝕后使用金相顯微鏡4XC觀察試樣金相顯微組織。如下表1所示為本次實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)置。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1,圖2是不同熱處理工藝淬火后的試樣經(jīng)測試后數(shù)據(jù)匯總所繪的拉伸性能柱狀圖和硬度柱狀圖。圖3為試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試時(shí)的位移量柱狀圖。圖4為試樣的金相圖片。經(jīng)熔融狀態(tài)的亞硝酸鈉淬火后空冷的試樣的拉伸強(qiáng)度為1506.8MPa，硬度為478HV0.2，拉伸位移量為3.15mm。正火的試樣拉伸強(qiáng)度為832.4MPa,硬度為421HV0.2，拉伸位移量為8.03mm。經(jīng)水淬火的試樣的拉伸強(qiáng)度為1194.5MPa,硬度為640.8HV0.2，拉伸位移量為1.1mm。原材料的拉伸強(qiáng)度為432.9MPa，硬度為223.7HV0.2，拉伸位移量為4.83mm。

2.2 性能分析

工藝1所獲得的試樣的拉伸強(qiáng)度相比于正火提升了約81%，這是因?yàn)檎鸬睦鋮s速度緩慢，形成了平衡的常溫狀態(tài)的相組織殘留奧氏體珠光體及貝氏體(圖3c)，而經(jīng)過熔融狀態(tài)下的亞硝酸鈉淬火后取出空冷的試樣形成的相組織應(yīng)當(dāng)主要為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合物組織，馬氏體組織的形成是試樣拉伸強(qiáng)度升高的原因。相較于水淬試樣拉伸強(qiáng)度僅提升26.1%，水的冷卻速度極快，形成了大量的板條狀馬氏體，馬氏體強(qiáng)化了試樣的性能，體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度相較與原材料有了極大的提升(見圖1)。

試樣的溫度提升使得試樣金相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，而正火的淬火介質(zhì)為空氣，空氣緩慢的冷卻速度使得奧氏體并未迅速的大量的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在冷卻過程中，形成了珠光體貝氏體及少量的馬氏體，正火使得晶粒細(xì)化，金相組織變的較之前更加的均勻，從而提升了試樣的強(qiáng)度，使得正火的拉伸強(qiáng)度相較于原材料提升了約92.3%。但由于其緩慢的冷卻速度，使得試樣表面氧化脫碳現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

經(jīng)水淬火的試樣的冷卻速度極快，與經(jīng)熔融狀態(tài)下的亞硝酸鈉淬火試樣不同，水淬試樣的淬火全程速度極快，奧氏體迅速的轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，形成了板條狀馬氏體。熔融狀態(tài)亞硝酸鈉的淬火試樣則是先將試樣快速冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間后，取出空冷，淬火過程中，前后的冷卻速度不同，前段快是為了減少試樣溫度下降過程珠光體及貝氏體的形成，后端緩慢的冷卻速度是因?yàn)樵嚇右牙鋮s至馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間，太快的冷卻速度會(huì)使得馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體，未來的及形成片狀馬氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)終了。從結(jié)果上看，板條狀馬氏體與片狀馬氏體的混合相對試樣性能的提升尤為明顯，其中拉伸性能的提升優(yōu)于板條狀馬氏體相的提升，然而混合相的形成使得硬度數(shù)值對比單一馬氏體相的數(shù)值降低了約25.4%。

正火使得試樣的金相組織均勻極大的提升了試樣的韌性，正火試樣的拉伸位移量對比原材料提升了約66.3%。單一的馬氏體組織極大的強(qiáng)化了試樣的強(qiáng)度，硬度，但馬氏體的亞結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)和位錯(cuò)糾纏使得試樣的韌性下降，相較于原材料拉伸位移量減少了約77.2%。板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合相對試樣的強(qiáng)度提升最明顯，對試樣硬度的提升略低于單一板條狀馬氏體相相較于原材料只降低了34.8%。

2.3 40Mn鋼帶顯微組織分析

觀察圖3可知，不同工藝的熱處理使得試樣的金相轉(zhuǎn)變并不完全相同。熔融亞硝酸鈉的前后段不同的冷卻速度生成了大量的馬氏體混合相，水極快的冷卻速率生成了單一的板條狀馬氏體相，空氣緩慢的冷卻速度使得最終的金相組織均勻的珠光體及細(xì)小的貝氏體。從熱力學(xué)的角度分析，馬氏體的轉(zhuǎn)變須有較大的過冷度才能形成，這與水的極快的冷卻速度符合，而將熔融亞硝酸鈉中的試樣取出后，雖然冷卻速率減小，然而溫度正處于馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間，稍慢的冷卻速度使得形成的馬氏體較為均勻并進(jìn)一步形成了板條狀馬氏體與片狀馬氏體的混合相。珠光體及貝氏體的轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力相對較小，在溫度高時(shí)即可轉(zhuǎn)變，且珠光體的轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散性的轉(zhuǎn)變，因此使得試樣的最終組織均勻，晶粒細(xì)小。三種不同的熱處理工藝均改善了原材料試樣的金相組織，使得試樣的性能獲得提升。

3 結(jié) 論

(1)三種熱處理工藝均實(shí)現(xiàn)了對試樣性能的提升。工藝1采用的淬入熔融亞硝酸鈉2min后取出空冷對試樣的綜合性能提升最為明顯試樣的拉伸強(qiáng)度為1506.8MPa，硬度為478HV0.2，此時(shí)的金相組織為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合相。

(2)當(dāng)使用25%濃度的亞硝酸鈉溶液作為淬火液時(shí)獲得的試樣性能最好，此時(shí)獲得的金相組織為板條狀馬氏體及少量殘留奧氏體。