葛光男，劉 毅，丁軍鋒，李 景，趙 鵬，段振偉

(1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

碳鋼調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸類等零部件[1]。碳鋼淬火過程需經(jīng)奧氏體晶核形成、長(zhǎng)大、剩余滲碳體溶解、奧氏體均勻化。因此，常規(guī)淬火工藝需保溫足夠的時(shí)間。“零保溫”淬火是指工件加熱時(shí)，其心部和表面均達(dá)到淬火溫度后不需要保溫立即淬火冷卻的熱處理工藝[2]?！傲惚亍贝慊鹋c傳統(tǒng)的淬火工藝相比，節(jié)省了工件透熱和組織均勻化的時(shí)間，節(jié)約了能源消耗，可減少工件保溫過程中產(chǎn)生的氧化、脫碳等缺陷，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

研究表明[3-4]，低合金結(jié)構(gòu)鋼由于熱傳導(dǎo)速度很快，用于消除內(nèi)外溫差的時(shí)間較短，因此對(duì)于有效加熱尺寸不是很大的工件，其透熱溫度所需時(shí)間一般可認(rèn)為很短或?yàn)榱?。國?nèi)學(xué)者對(duì)于截面尺寸不超過φ40 mm的35鋼和45鋼已進(jìn)行了大量的研究，對(duì)于尺寸較大的碳鋼研究較少，為此本文研究“零保溫”熱處理工藝對(duì)截面尺寸為φ60 mm的35鋼和45鋼的綜合性能的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為φ60 mm×80 mm的軋制態(tài)35鋼和45鋼，采用直讀光譜儀(0800H070003-2)進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。35鋼和45鋼“零保溫”調(diào)質(zhì)熱處理工藝均采用850 ℃保溫10 min水冷+580 ℃保溫1.5 h空冷?！傲惚亍睙崽幚砗蟀碐B/T 2975標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能取樣。

表1 35鋼和45鋼化學(xué)成分表 單位：%

采用島津AGI-250 kN電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用CBD-300自動(dòng)擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用TH-160硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，采用AXIO光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 35鋼“零保溫”熱處理性能結(jié)果

φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，取4組試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，“零保溫”熱處理之后的35鋼4組抗拉強(qiáng)度最小值為594 MPa，屈服強(qiáng)度最小值為347 MPa，延伸率最小值為23%，斷面收縮率最小值為60%，U型沖擊功最小值為94 J。該結(jié)果表明，經(jīng)“零保溫”熱處理的35鋼的性能完全滿足GB/T 699標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 35鋼“零保溫”熱處理后的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1為φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，由表及里硬度變化規(guī)律。由圖可知，表面硬度最高約為178 HBW，心部硬度最低約為150 HBW，心部和表面硬度差約為28 HBW。由于35鋼淬透性較差，淬硬層低于10 mm，因此由表及里硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖1 φ60 mm 35鋼“零保溫”熱處理后由表及里硬度分布規(guī)律

圖2為φ60 mm的軋制態(tài)35鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，由表及里金相組織變化規(guī)律。由圖可知，35鋼“零保溫”熱處理后由表及里金相組織均為鐵素體+珠光體，由表及里晶粒尺寸逐漸增加。距表面2～12 mm處的晶粒尺寸增加比較緩慢，距表面13～24 mm處晶粒組織增加較大。該現(xiàn)象由于淬火冷卻過程中，表面冷卻較快，心部冷卻較慢，導(dǎo)致隨著距表面距離的增加組織轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力逐漸減弱，從而使心部晶粒尺寸增加。

圖2 φ60 mm 35鋼“零保溫”熱處理后由表及里200×金相組織

2.2 45鋼“零保溫”熱處理性能結(jié)果

φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，取4組試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，“零保溫”熱處理之后的45鋼4組抗拉強(qiáng)度最小值為719 MPa，屈服強(qiáng)度最小值為466 MPa，延伸率最小值為16%，斷面收縮率最小值為50%，U型沖擊功最小值為56 J。該結(jié)果表明，“零保溫”熱處理的45鋼的性能完全滿足GB/T 699標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 45#鋼“零保溫”熱處理后的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖3為φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，由表及里硬度變化規(guī)律，由圖可知，硬度最高為195 HBW，心部硬度約為170 HBW，心部和表面硬度差約為25 HBW。表面至8 mm處硬度值比較接近，8～30 mm硬度值逐漸降低。由此可知，45鋼淬透性約為16 mm，超過16 mm后硬度逐漸降低。

圖3 φ60 mm 45#鋼“零保溫”熱處理后由表及里硬度分布規(guī)律

圖4為φ60 mm的軋制態(tài)45鋼“零保溫”熱處理工藝試驗(yàn)后，由表及里金相組織變化規(guī)律。由圖可知，45鋼“零保溫”熱處理后由表及里金相組織均為鐵素體+珠光體，由表及里晶粒尺寸逐漸增加。距表面2～8 mm處的晶粒尺寸增加比較緩慢，距表面9～28 mm晶粒尺寸增加較快，心部珠光體尺寸較鐵素體尺寸大。

圖4 φ60 mm 45鋼“零保溫”熱處理后由表及里200×金相組織

3 結(jié)論

(1) 35鋼“零保溫”熱處理后心部和淺表面的熱處理組織均為鐵素體+珠光體，心部組織的晶粒較淺表面粗大。35鋼表面硬度約為178 HBW，心部硬度約為150 HBW。35鋼熱處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到594 MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)到347 MPa，延伸率可達(dá)到23%，斷面收縮率可達(dá)到60%，U型沖擊功可達(dá)到94 J。

(2) 45鋼熱處理后心部和淺表面的熱處理組織均為鐵素體+珠光體，心部組織的晶粒較表面粗大。45鋼表面硬度約為195 HBW，心部硬度約為170 HBW。45鋼熱處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到719 MPa，屈服強(qiáng)度可達(dá)到466 MPa，延伸率可達(dá)到16%，斷面收縮率可達(dá)到50%，U型沖擊功可達(dá)到56 J。

(3) 直徑不超過60 mm的35鋼和45鋼“零保溫”熱處理后性能完全滿足GB/T 699標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)中可考慮采用該方法進(jìn)行熱處理，可節(jié)約能源約30%～40%。