朱晓东

(成都大学工业制造学院,四川成都 610106)

0 引 言

65Mn是制作各种板弹簧、丝弹簧的材料之一,多用于汽车、火车等交通运输工具中,在仪表、家具、儿童玩具等制造中也得到大量应用.65Mn弹簧钢中,锰能提高其淬透性,其强度、硬度、弹性和淬透性均比65号钢高,而且直径12 mm的钢材在油中可以淬透,表面脱碳倾向比硅钢小,经热处理后的综合力学性能优于碳钢.但其有过热敏感性和回火脆性,水淬有形成裂纹的倾向,退火态可切削性尚可,冷变形塑性低,焊接性差[1-2].

一般而言,淬火加热温度以及保温时间对金属材料热处理后的性能有着极大影响.加热温度过低,则材料尚未完全奥氏体化,存在有部分未转变的铁素体,淬火后铁素体仍保留在淬火组织当中,而铁素体的硬度较低,从而使淬火后的硬度达不到要求,同时也会影响其它力学性能;加热温度过高,则奥氏体晶粒会显著粗大,淬火后得到的马氏体晶粒也较粗大,造成硬度值降低[3].据此,本文以65Mn弹簧钢为研究对象,探讨不同淬火温度对该材料硬度与组织的影响,拟为获得最佳的65Mn弹簧钢热处理工艺提供基础实验数据.

1 实 验

为了研究65Mn弹簧钢淬火加热温度对其硬度值的影响,本研究采用5组直径20 mm,高度15 mm的试样进行实验.在实验中,试样采用WE-600B1型箱式电阻炉进行加热以及保温,保温时间、冷却介质、回火温度及保温时间都一致,只是加热温度不同.具体热处理工艺流程如表1所示.

表1 5组试样热处理参数

试样热处理完成后,按照HRC规程利用洛氏硬度计测试试样的硬度.由于洛式硬度压痕很小,易受材料表面不平或材料内部组织不均匀的影响,为克服测量值的局部性,需测数个点求平均值[4].故对每组试样测5个不同位置的硬度,取其平均值,得到数据如表2所示.

表2 热处理后试样硬度值

2 结果与分析

2.1 实验结果

试样淬火加热温度与硬度值关系如图1所示.

从图1可以看出,在加热温度小于830℃时,随加热温度的增加,试样的硬度值大幅度增加.当加热温度高于830℃时,随加热温度的增加,试样的硬度值略微下降.在830℃时,试样的硬度达到最大值.

图1 试样的淬火加热温度与硬度值关系图

2.2 分 析

分析发现,在淬火加热温度较低时,虽然已经达到临界温度以上,但是由于温度不够高,保温时间不够长,奥氏体化没有完全进行.这是因为奥氏体化是通过碳原子和铁原子的扩散进行的,扩散需要一定的能量以及足够的时间才能完全均匀化.在保温时间一定的情况下,就必须提高温度以给原子扩散提供足够的能量.一旦奥氏体化未能完全进行,则试样基体中存在残余的铁素体,水淬后不能全部得到马氏体,导致试样硬度值较低.

在淬火加热温度高于830℃时,由于原子扩散获得了足够的能量,能够将奥氏体化过程进行完全,水淬后能得到基本完全的马氏体组织,所以试样硬度较高.此外,从图1也可以看出,当温度超过830℃时,随加热温度提高,试样的硬度值没有继续增加,反而略微降低,这是因为加热温度过高,奥氏体晶粒尺寸会有所增大,其水淬时转变得到的马氏体晶粒尺寸也会有所增大.由细晶强化原理[5]可知,晶粒越细小,其硬度值越高,所以温度过高时,其硬度值会有少许降低.

在试样的热处理完成后,将各个试样用80和240号砂纸进行粗磨,粗磨完成后再用01、02、03、04号砂纸细磨.然后用Cr2O3粉末配制的抛光液对试样进行抛光,并用含有4%硝酸的酒精溶液对抛光后的试样进行腐蚀.腐蚀工序完成后,将试样清洗并干燥后,用金相显微镜上观察其金相组织,结果见图2～图4.

图2 加热温度为780℃时试样室温组织示意图

图3 加热温度为830℃时试样室温组织示意图

图4 加热温度为880℃时试样室温组织示意图

从图2～图4可以看出,淬火加热温度为780℃、830℃、880℃的试样室温组织基体都为回火托氏体.在780℃加热温度下得到的金相组织基体上出现一些白色铁素体组织,表明此加热温度下试样未能完全奥氏体化;在830℃、880℃加热条件下室温组织未出现铁素体组织,表明试样奥氏体化已经完全.金属材料在完全奥氏体化水淬能得到更多的马氏体,硬度值也更高,这与硬度测试结果一致.另外,从图3、图4的对比可以看出,加热温度为880℃的基体组织比加热温度为830℃的基体组织略微粗大,所以其硬度值稍低.

3 结 语

为研究淬火加热温度对65Mn弹簧钢热处理后的硬度影响,对尺寸为直径20 mm,高度15 mm的65Mn热处理试样进行不同加热温度的淬火处理,在其他条件保持相同的条件下,分别控制淬火加热温度为780℃、810℃、830℃、850℃、880℃,水淬后中温回火.硬度测试表明,在淬火加热温度低于830℃时,试样硬度值较低,其室温金相组织显示有少量铁素体组织,这是由于加热温度不够高,奥氏体化不完全造成的.当淬火加热温度高于830℃时,随温度的增加,其硬度值略微降低,其室温金相组织也有略微增大,这是由于加热温度高,奥氏体晶粒长大造成的.

[1]《钢铁材料手册》总编辑委员会.钢铁材料手册[M].北京:中国标准出版社,2004.

[2]丁厚福,王立人.工程材料[M].武汉:武汉理工大学出版社,2001.

[3]杨满.实用热处理手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4]崔明铎.工程材料及其热处理[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5]石德珂.材料科学基础[M].北京:机械工业出版社,1999.