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　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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檢測過程對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，指鋼在淬火時形成馬氏體的能力。淬透性的評定標(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，并用這個淬硬層深度作為評定淬透性的標(biāo)準(zhǔn)。淬透層越深，表明鋼的淬透性越高[1]。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T225-2006)規(guī)定，鋼的淬透性用末端淬火法測定。測定時將標(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)長度方向每隔一定間距測量一個硬度值，即可得到沿長度方向上的硬度變化情況。

2　影響末端淬透性測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，熱處理操作的準(zhǔn)確性、規(guī)范性對檢驗(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，并對爐溫進(jìn)行較準(zhǔn)，

表1　取樣位置對淬透性值的影響

確保爐溫準(zhǔn)確。試樣坯料熱處理工藝過程應(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，會降低淬透性。

(2)熱處理時應(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 ℃，淬火時間為11 min，3個試樣其他步驟按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淬火溫度對淬透性值的影響

鋼種坯料規(guī)格/mm淬火溫度/℃鋼字號硬度值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試樣長度、淬火裝置噴水高度對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)試樣長度為(100±0.5)mm，把1#試樣制成長度為100.0 mm試樣、2#試樣制成長度為97.0 mm試樣、3#試樣制成長度為103.0 mm試樣，3個試樣其他步驟均按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，測試結(jié)果如表4所示。

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

表3　試樣直徑對淬透性值的影響

表4　試樣長度對淬透性值的影響

表5　淬火裝置噴水高度對淬透性值的影響

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要求淬火時噴水裝置的水溫為(20±5)℃，把1#試樣淬火時水溫設(shè)為25 ℃、2#試樣淬火時水溫設(shè)為21 ℃、3#試樣淬火時水溫設(shè)為17 ℃，3個試樣其他步驟均按GB/T225-2006規(guī)定執(zhí)行。測試結(jié)果如表6所示，控制淬火時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，應(yīng)在每次磨制前應(yīng)對平面磨床砂輪進(jìn)行檢查、修磨；應(yīng)在平行于試樣軸線方向上磨制兩個相互平行的平面，用于測量硬度；測量硬度的兩個平面應(yīng)處于與試料表面相同的距離處。

表6　水溫對淬透性值的影響

(2)磨制硬度測試平面時，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，測試其在不同粗糙度時的端淬結(jié)果，測試中以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)行測試。測試結(jié)果如表7所示，可見隨著試樣表面粗糙度值的升高，硬度值會降低。

表7　表面粗糙度對淬透性值的影響

2.5洛氏硬度值的測量的影響與控制

2.5.1規(guī)定測試點(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)的帶自動定位系統(tǒng)的洛氏硬度機(jī)，測試點(diǎn)位置由試驗(yàn)機(jī)自動確定，那就可以保證測試點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。

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

2.5.2測定洛氏硬度值時的注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)在GB/T225-2006規(guī)定期限內(nèi)請計量部門按標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)機(jī)的加荷速度、保載時間和卸載時間進(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)洛氏硬度塊對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，對誤差范圍做出記錄，適當(dāng)時可對所測定的結(jié)果進(jìn)行修正。

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

(4)標(biāo)準(zhǔn)要求測試硬度時第一個平面上壓痕的凸起邊緣不會影響第二個平面的測試。

(5)通常只有用手動式洛氏硬度計測量時，才用平面磨或水砂紙進(jìn)行修磨，正常帶自動定位系統(tǒng)的自動式硬度計無需修磨。

2.6影響鋼的末端淬透性試驗(yàn)結(jié)論

檢測過程對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)試樣坯料的制取過程中，中心取樣會因?yàn)殇摰牡捅督M織、成分偏析等原因?qū)е聝蓽y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，設(shè)備的選擇、設(shè)備控溫精度會對結(jié)果產(chǎn)生影響，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度提高20℃，淬透性值相差會有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) 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣的直徑大、試樣的長度小、淬火裝置的噴水高度低、淬火的水溫高都會影響著鋼的淬透性，其值相對要低1～2HRC。因此，要對試樣的加工過程、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、洛氏硬度值的檢測都會對末端淬透性的檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。通過實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)粗糙度高的試樣，硬度值會低1HRC,因此末端淬透性試驗(yàn)時，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

通過對40MnBH鋼的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)得出影響其末端淬透性測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、洛氏硬度值的測量和人為因素等，必須在檢測過程中加以控制。

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

[2]劉虎林.金屬材料知識手冊[M]. 長沙: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，高級工程師 。E-mail： YSH3754134@163.com

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