康泰宇, 郭 纯， 营 梦， 李 云

(安徽科技学院机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

0 引 言

40Mn钢是一种优质碳素结构钢。其通过不同的加工工艺可用于制造大型轴类锻件[1]，以及小型的链片[2]等零件。相关的研究均聚焦与热处理工艺对零件的影响[3]，以及零件的微观组织和本身的缺陷等[4,5]。相关的研究也都以热轧状态的40Mn钢为研究对象，研究结果表明热轧状态的40Mn钢中的带状组织影响了零件的性能[6-8]，通过调控制造工艺，以及热处理工艺消除带状组织和中心偏析来改进零件的性能。而有关冷轧40Mn钢带的研究暂无报道。

冷轧状态的40Mn钢带可制作简单的小型零件，因此成为制造长尾夹的原材料之一。在研究淬火工艺对零件性能的影响时，淬火介质的选择也是相当重要的因素，邬晓燕[9]等人研究的淬火工艺对热轧40Mn钢带的组织性能影响时选择的淬火介质为油和水。熔盐为淬火介质的一种，研究熔盐作为淬火介质对40Mn钢带性能及组织影响对指导长尾夹生产，降低能耗及污染等有实际意义。

1 实验材料与实验方案

实验用40Mn钢带为冷轧钢带。实验的试样尺寸约为100mm×25mm×0.2 mm。实验所选择的熔盐来源为华强化工依据GB/T2367-201所生产的亚硝酸钠，其纯度为≥99.8%。试样对照组的数量为3。

在箱式电阻炉中对试样进行处理。依据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行拉伸性能测试，设备为拉伸试验机UTM-5105。硬度测试使用显微维氏硬度计HV-1000Z。硬度测试完成后，对试样进行打磨抛光后，用4%的硝酸酒精溶液对试样进行侵蚀后使用金相显微镜4XC观察试样金相显微组织。如下表1所示为本次实验的方案设置。

表1 实验方案

2 结果与分析

2.1 实验结果

图1,图2是不同热处理工艺淬火后的试样经测试后数据汇总所绘的拉伸性能柱状图和硬度柱状图。图3为试样进行拉伸强度测试时的位移量柱状图。图4为试样的金相图片。经熔融状态的亚硝酸钠淬火后空冷的试样的拉伸强度为1506.8MPa，硬度为478HV0.2，拉伸位移量为3.15mm。正火的试样拉伸强度为832.4MPa,硬度为421HV0.2，拉伸位移量为8.03mm。经水淬火的试样的拉伸强度为1194.5MPa,硬度为640.8HV0.2，拉伸位移量为1.1mm。原材料的拉伸强度为432.9MPa，硬度为223.7HV0.2，拉伸位移量为4.83mm。

2.2 性能分析

工艺1所获得的试样的拉伸强度相比于正火提升了约81%，这是因为正火的冷却速度缓慢，形成了平衡的常温状态的相组织残留奥氏体珠光体及贝氏体(图3c)，而经过熔融状态下的亚硝酸钠淬火后取出空冷的试样形成的相组织应当主要为板条状马氏体和片状马氏体的混合物组织，马氏体组织的形成是试样拉伸强度升高的原因。相较于水淬试样拉伸强度仅提升26.1%，水的冷却速度极快，形成了大量的板条状马氏体，马氏体强化了试样的性能，体现在拉伸强度相较与原材料有了极大的提升(见图1)。

试样的温度提升使得试样金相转变为奥氏体，而正火的淬火介质为空气，空气缓慢的冷却速度使得奥氏体并未迅速的大量的转变为马氏体，在冷却过程中，形成了珠光体贝氏体及少量的马氏体，正火使得晶粒细化，金相组织变的较之前更加的均匀，从而提升了试样的强度，使得正火的拉伸强度相较于原材料提升了约92.3%。但由于其缓慢的冷却速度，使得试样表面氧化脱碳现象尤为严重。

经水淬火的试样的冷却速度极快，与经熔融状态下的亚硝酸钠淬火试样不同，水淬试样的淬火全程速度极快，奥氏体迅速的转变为马氏体，形成了板条状马氏体。熔融状态亚硝酸钠的淬火试样则是先将试样快速冷却至马氏体转变温度区间后，取出空冷，淬火过程中，前后的冷却速度不同，前段快是为了减少试样温度下降过程珠光体及贝氏体的形成，后端缓慢的冷却速度是因为试样已冷却至马氏体转变的温度区间，太快的冷却速度会使得马氏体转变为板条状马氏体，未来的及形成片状马氏体转变已经终了。从结果上看，板条状马氏体与片状马氏体的混合相对试样性能的提升尤为明显，其中拉伸性能的提升优于板条状马氏体相的提升，然而混合相的形成使得硬度数值对比单一马氏体相的数值降低了约25.4%。

正火使得试样的金相组织均匀极大的提升了试样的韧性，正火试样的拉伸位移量对比原材料提升了约66.3%。单一的马氏体组织极大的强化了试样的强度，硬度，但马氏体的亚结构的位错和位错纠缠使得试样的韧性下降，相较于原材料拉伸位移量减少了约77.2%。板条状马氏体和片状马氏体的混合相对试样的强度提升最明显，对试样硬度的提升略低于单一板条状马氏体相相较于原材料只降低了34.8%。

2.3 40Mn钢带显微组织分析

观察图3可知，不同工艺的热处理使得试样的金相转变并不完全相同。熔融亚硝酸钠的前后段不同的冷却速度生成了大量的马氏体混合相，水极快的冷却速率生成了单一的板条状马氏体相，空气缓慢的冷却速度使得最终的金相组织均匀的珠光体及细小的贝氏体。从热力学的角度分析，马氏体的转变须有较大的过冷度才能形成，这与水的极快的冷却速度符合，而将熔融亚硝酸钠中的试样取出后，虽然冷却速率减小，然而温度正处于马氏体转变区间，稍慢的冷却速度使得形成的马氏体较为均匀并进一步形成了板条状马氏体与片状马氏体的混合相。珠光体及贝氏体的转变驱动力相对较小，在温度高时即可转变，且珠光体的转变属于扩散性的转变，因此使得试样的最终组织均匀，晶粒细小。三种不同的热处理工艺均改善了原材料试样的金相组织，使得试样的性能获得提升。

3 结 论

(1)三种热处理工艺均实现了对试样性能的提升。工艺1采用的淬入熔融亚硝酸钠2min后取出空冷对试样的综合性能提升最为明显试样的拉伸强度为1506.8MPa，硬度为478HV0.2，此时的金相组织为板条状马氏体和片状马氏体的混合相。

(2)当使用25%浓度的亚硝酸钠溶液作为淬火液时获得的试样性能最好，此时获得的金相组织为板条状马氏体及少量残留奥氏体。