王焕琴,卢澎涛,宋林森,王三保

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.河南省食品研究所,河南郑州450053）

40CrMn钢是工业生产中广泛使用的一种中碳合金结构钢,其淬火组织中马氏体的尺寸、大小和分布,对其回火后材料的机械性能和使用寿命至关重要.而工业生产中经长使用的常规淬火工艺,由于加热温度高、保温时间长,使之淬火马氏体组织不甚理想.其直接影响着产品质量和使用寿命[1]因而,进一步改善40CrMn钢的机械性能,预防疲劳断裂倾向,已成为工业生产亟待解决的问题[2].本文通过正交实验法对40CrMn钢进行了研究,找出了40CrMn钢在脉冲电场作用下理想的淬火新工艺参数,并进行了相应的新工艺实验,得到了40CrMn钢理想的金相组织和淬火硬度值.

1 实验材料和仪器

1.1 实验材料

实验材料为退火状态的40CrMn钢,试样直径为φ16 mm×16 mm,重量0.25 kg的40CrMn棒材.其化学成分如表1所示.

表1 40Cr钢的化学成分

1.2 实验仪器

SXZ-2.5-12高温箱式电阻炉；HR-150D型洛氏硬度试验机；M-2预磨机；XJ-16型金相显微镜.

2 正交试验方案与试验

2.1 确定影响硬度值的因素和水平

影响淬火硬度值的热处理工艺[3-5]参数有：加热温度、保温时间、脉冲时间.将它们分别简称为因素A（加热温度℃）、B（保温时间h）、C（脉冲时间min）,每个因素只取4个水平,如表2所示.按表2设置正交试验参数,并得到考核指标硬度HRC值.工艺参数对硬度的影响数据见表3.

表2 正交实验因素水平

本次试验采用一次回归正交试验设计方法[6],选用L16（44）正交表,按表2设置的正交试验参数进行实验,并得到考核硬度指标（HRC）.

表3 正交实验表及分析结果

2.2 方差分析和寻找最优组合

根据表4方差分析和最佳水平分析：A（加热温度）因素是实验过程中最显著的影响因素,所以在选取时应直接选水平效应中的A2以降低加热温度为宜.C（脉冲时间）因素是实验过程中的重要因素,故应选取值C1以缩短脉冲时间.B因素虽然不是最大的影响因素,但考虑到等温时材料的组织变化诸因素拟选取B2较好.综合考虑各种因素对性能的影响,从上述16次正交试验中,找出四种较理想的淬火工艺参数,即A2B1C2、A2B2C1、A2B3C4、、A4B3C2,按照这四种方案分别再做试样四根,从中确定出硬度指标和马氏体组织最合适的一个.根据正交实验结果进行方差分析,见表4.

表4 方差分析

3.3 脉冲实验方法

实验采用自己制作改进的脉冲发生器,将金属导线按顺序分别连接在试样两端,首先把40CrMn钢试样装入箱式加热炉内加热到810～870℃,保温2 min后,施加800 V、50 Hz的脉冲电流3～9 min后,在继续保温5～16 min后,放入油中冷却到室温.如图1所示.

图1 脉冲电场处理钢实验

2.4 工艺参数对硬度的影响分析

在表3中考察了3因素和4水平对硬度的影响.实验选用的脉冲电压800 V、频率50 Hz,为了减少实验次数,只取有代表性的加热温度810～870℃、保温时间4～16 min、脉冲时间3～9 min、进行了3因素4水平组合的16次有代表性脉冲实验,并进行了硬度测试和金相显微组织观察,最后得到了最佳的参数组合各因素、水平对硬度均值（K1,K2,K3,K4）的影响,如图2所示.

图2 各因素和水平对硬度的影响

根据对硬度的要求,40CrMn钢经脉冲淬火后硬度值应控制在50～60 HRC,最理想的脉冲淬火新工艺为第6组A2B2C1,即加热到820℃,保温时间12 min、、脉冲时间3 min、,合计约12 min.同样的硬度值下,比普通淬火的加热温度低了40℃,且时间也缩短了4 min.如图3、图4、图5、图6；

图3 40CrMn普通淬火工艺曲线

图4 40CrMn脉冲淬火工艺曲线

图5 40CrMn普通淬火组织400X

图6 40CrMn脉冲淬火组织400X

3 小结

通过正交试验和脉冲实验相结合的方法简化了实验次数、优化了40CrMn钢淬火新工艺参数,结果表明：（1）脉冲淬火后的硬度值,是随加热温度降低,保温时间减少,脉冲时间在不断的延长而逐渐升高.（2）采用脉冲淬火新工艺,在保证得到理想的马氏体组织的同时,降低了加热温度、缩短了保温时间,在获得较理想马氏体组织的同时,其硬度可比普通淬火提高2～3 HRC,进一步改善了40CrMn钢的机械性能,降低了加工成本,提高了工作效率.

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