羅建，權(quán)純逸，胡福常，趙棟，楊堃

沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110850

1 序言

高壓真空氣淬是采用高壓氣體在真空狀態(tài)下對工件進(jìn)行淬火。高壓真空氣淬工藝具有少氧化、脫碳及微合金元素貧化的特點(diǎn)，提高材料性能，是保證高碳鋼、高合金鋼制造的大型零件或批量爐料獲得好的淬硬效果的有效途徑。另外，可以實(shí)現(xiàn)光亮熱處理，使零件脫脂、脫氣、避免表面污染和氫脆，同時可以實(shí)現(xiàn)對加熱速度和冷卻速度的控制。在氣淬時，適當(dāng)控制氣體溫度還可得到等溫或分級淬火效果，從而進(jìn)一步減少畸變。高壓真空氣淬工藝?yán)鋮s所采用的氣體主要為N2或Ar等惰性氣體，因此該項(xiàng)技術(shù)是一種清潔熱處理工藝[1-4]。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為30CrMnSiA鋼棒材和薄板（GJB 2151—1994），其主要化學(xué)成分見表1。

表1 30CrMnSiA鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

從30CrMnSiA鋼碳含量來看屬于亞共析范圍，隨著碳含量增加，鋼的臨界冷卻速度降低，淬透性增加，對于其他大多數(shù)合金元素如Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等都降低鋼的臨界冷卻速度，從而使鋼的淬透性顯著提高[5，6]。30CrMnSiA鋼中僅含上述合金中的Cr、Mn、Si元素，且含量較低。因此，30CrMnSiA屬于淬透性一般的結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)顯示，30CrMnSiA鋼油淬的可淬透尺寸為25mm?；跉獯愕睦鋮s能力一般低于油淬[7]，本研究選擇厚度為2mm、3mm、4mm、5mm、10mm和15mm進(jìn)行氣淬試驗(yàn)。為了準(zhǔn)確測量淬透性試驗(yàn)件尺寸，需遵循以下原則。

1）鋼棒長度與直徑關(guān)系為L＝（2.5～3）D。

2）薄板長寬與厚度關(guān)系為L＞2.5δ，W＞2.5δ。板料尺寸為100mm×10mm×2.0mm、100mm×10mm×3.0mm、100mm×10mm×4.0mm；棒料尺寸為φ5mm×15mm、φ10mm×30mm、

φ15m×45mm。

高壓真空氣淬試驗(yàn)與真空油淬相比，除了淬火冷卻介質(zhì)改為氣體冷卻外，其工藝參數(shù)完全一致[8，9]。真空度為0.33～1.33Pa，加熱速率為10℃/min，在450℃下保溫30min，在680℃下保溫15min，然后加熱到900℃保溫120min，冷卻氣體為N2，冷卻壓力為9bar（1bar＝105Pa，下同）。熱處理試驗(yàn)工藝曲線如圖1所示。

圖1 熱處理工藝曲線

3 試驗(yàn)與測試過程

本次研究應(yīng)用的設(shè)備是型號為VSE83T立式高壓真空氣淬爐（見圖2），有效加熱區(qū)尺寸為φ600mm×600mm，工作溫度為200～1350℃，爐溫均勻性±5℃，最大冷卻壓力11bar。

圖2 VSE83T立式高壓真空氣淬爐

試驗(yàn)過程主要分為前期準(zhǔn)備階段、氣淬試驗(yàn)階段和取樣測試階段。其中，準(zhǔn)備階段主要包括試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備兩方面。VSE83T立式高壓真空氣淬爐冷卻時可選用Ar或N2進(jìn)行冷卻，本研究在試驗(yàn)時使用N2作為冷卻氣體。裝爐時除了對零件進(jìn)行清洗和確保試驗(yàn)件不進(jìn)行堆放之外，還要對試驗(yàn)件綁上負(fù)載熱電偶，計算保溫時間以負(fù)載熱電偶為準(zhǔn)。

將試棒在中間取出10mm的試片，并標(biāo)記出中心面方向，硬度測量前首先對試片進(jìn)行打磨拋光，自動磨拋機(jī)經(jīng)過80#、240#、400#、600#、800#、1000#水砂紙逐道次磨平后，使用尼龍拋光布和粒度為5μm的金剛石拋光液進(jìn)行拋光。

對于拋光之后的樣品使用顯微硬度儀測量距原始表面不同深度的顯微硬度，測量深度參考GB/T 225—2006《鋼 淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法（Jominy試驗(yàn)）》[10]，對表面至心部的位置進(jìn)行HV0.5顯微硬度測試?？紤]到顯微硬度測試時的壓痕較小，測試數(shù)值受顯微組織不均勻性影響較大，因此對每個測試深度進(jìn)行5次平行測量。

顯微硬度試驗(yàn)后，使用自動磨拋機(jī)將所有樣品經(jīng)過1500#、2000#、3000#、5000#水砂紙磨制，再使用0.5μm粒度的二氧化硅拋光懸浮液進(jìn)行拋光處理。金相試樣在3%硝酸酒精溶液中腐蝕20s，然后使用金相顯微鏡對樣品的金相組織進(jìn)行觀察與拍攝。對于典型試樣，采用電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

4 結(jié)果分析與討論

1）硬度測量結(jié)果見表2。將表2中各尺寸試驗(yàn)件結(jié)果統(tǒng)計匯總后與油淬硬度值對比，如圖3所示。

表2中的結(jié)果顯示，試驗(yàn)件表面和中心硬度值基本保持一致，不隨深度而改變。從圖3可以看出，隨著厚度的增加，平均硬度值在不斷降低，從577HV0.5降低到391HV0.5。當(dāng)試驗(yàn)件厚度≤5mm時，氣淬硬度值高于油淬顯微硬度值464HV0.5，說明氣淬已經(jīng)達(dá)到與油淬相當(dāng)?shù)乃剑蛞殉^油淬水平。因此，可以初步判斷，當(dāng)厚度≤5mm時，30CrMnSiA鋼在9barN2壓力下可淬透。當(dāng)厚度≥10mm時，氣淬硬度值低于油淬硬度值，說明氣淬未達(dá)到與油淬相當(dāng)?shù)乃剑虻陀谟痛闼?。因此，可以初步判斷，?dāng)厚度≥10mm時，30CrMnSiA鋼在9barN2壓力下不可淬透。

表2 30CrMnSiA鋼9bar氣淬后不同厚度硬度值

圖3 30CrMnSiA鋼不同厚度9bar氣淬與油淬硬度值對比

2）金相顯微組織如圖4所示。30CrMnSiA屬于中碳低合金鋼，硬度平均值對比表明，隨著試樣尺寸的增加以及氣淬壓力的降低，顯微硬度的平均值逐步降低。

從圖4可以看出，對于橫截面＜15mm的試樣，顯微硬度值不隨深度而改變，且同一深度5次測量值的離散性較小，說明其顯微組織不隨深度發(fā)生變化且組織細(xì)小均勻。根據(jù)圖4中30CrMnSiA鋼不同熱處理狀態(tài)下的金相組織可以看出，圖4a～d的組織均為馬氏體，且與圖4g中的油淬組織一致，均為馬氏體+少量殘留奧氏體。而圖4e～f顯微組織中開始出現(xiàn)白色等軸狀鐵素體，隨著試樣截面尺寸的增加和氣淬壓力的降低，組織中的白色鐵素體和黑色的珠光體含量越來越多，形態(tài)越來越粗大。鐵素體和珠光體的形成，是降溫速度低于淬火的臨界降溫速度的直接表現(xiàn)，無法形成過飽和馬氏體。

在透射電鏡下觀察（見圖4h），平行的馬氏體板條很清晰。研究結(jié)果表明，這類馬氏體板條的寬度為0.025～2.25μm，最常觀察到的寬度為0.1～0.2μm。馬氏體板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯，板條內(nèi)位錯纏接交結(jié)，呈現(xiàn)胞狀分布，因此這類馬氏體也稱位錯馬氏體。高壓淬火形成的位錯亞結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其馬氏體硬度較高的主要原因。

圖4 不同厚度淬火狀態(tài)下的金相組織

5 結(jié)束語

綜上試驗(yàn)結(jié)果，通過顯微硬度和金相組織分析對比得出，關(guān)于30CrMnSiA鋼在最大有效厚度≤5mm、氣淬壓力≥9bar時，氣淬硬度值大于油淬硬度值，即可淬透，金相組織均為馬氏體+少量殘留奧氏體，且與油淬組織一致；在最大有效厚度＞10mm、氣淬壓力≤9bar時，氣淬硬度值小于油淬硬度值，即未淬透，此時，金相組織出現(xiàn)白色等軸狀鐵素體，與油淬組織不一致；在最大有效尺寸＜10mm、氣淬壓力＜9bar，或最大有效尺寸＞5mm、氣淬壓力＞9bar時，目前試驗(yàn)尚不能確定是否可淬透，可根據(jù)實(shí)際需要，后續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。