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淬火硬化層深度的影響因素
更新時間:2018-05-09

  鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體層深度的能力,是鋼本身固有的一個屬性,主要與鋼的過冷奧氏體穩定性或與鋼的臨界冷卻速度有關。而影響淬硬深度(淬透深度)的因素是多方面的,對于一種材料狀態,主要受臨界冷卻速度、淬火冷卻介質和試件尺寸大小等因素的影響。本文通過基礎工藝試驗,研究淬火冷卻介質、試件尺寸大小對40CrNiMo材料淬火硬化層深度的影響。

  1. 試驗

 ?。?/font>1)試驗材料 工藝試驗選用40CrNiMo材料,直徑分別為60mm、70mm、80mm90mm的棒材,切割成長度為100mm的試樣,材料的化學成分符合表1的要求。

 ?。?/font>2)設備 中溫箱式電爐、洛氏硬度機、金相顯微鏡、水冷砂輪切割機。

 ?。?/font>3試驗方法 ? φ 6 0 m m × 1 0 0 m m 、 φ 7 0 m m × 1 0 0 m m 、φ 80mm×100mm和 φ 90mm×100mm40CrNiMo材料圓柱試樣在850℃淬入油和水中,保溫試件依次為3h、4h、4h20min5h,淬火后的試樣,截斷成兩個相等部分,切斷時務必注意切斷處不要過熱,再把斷口磨光,研磨時也需冷卻,然后在沿磨光截面的直徑上每隔2mm的各點上測量硬度(HRC),根據中心和表面硬度的數值和差異,對比試樣尺寸大小和淬火冷卻介質的冷卻能力對淬硬

  層深度的影響。

  方法二:將淬火后的40CrNiMo圓柱試樣切割為金相試樣,每試樣沿橫向中心截面方向切割出表面、二分之一半徑、中心各1件。觀察金相組織,分析影響硬化層深度的因素。組織對比試樣的取樣位置如圖1所示。

  2. 試驗結果

 ?。?)不同尺寸試樣硬度梯度結果 采用試驗方法一測得40CrNiMo材料 φ 60mm×100mm、φ 7 0 m m × 1 0 0 m m 、 φ 8 0 m m × 1 0 0 m m 和φ 90m m×100m m試樣油冷的硬度梯度數據


  如表2、表3和表4所示, φ 60m m×100m m和φ 90mm×100mm試樣水冷的硬度梯度如表4、表5所示。

 ?。?)截面不同區域的金相組織觀察結果 采用試驗方法二,測得不同尺寸大小油冷試樣表面、

  3. 分析與討論
 ?。?)試樣尺寸和冷卻方式對淬火硬化層深度的影響 從表2~表5的硬度數據可以看出,當都采用油冷時,直徑為60mm的試樣表面到心部的硬度基本一致,在50HRC左右;直徑增加為70mm時,表面硬度為50HRC左右,心部硬度在44~45HRC之間;直徑繼續增加到80mm時,整個截面的硬度變化不大,都在39~43HRC之間;當直徑達到90mm時,硬度下降更多,截面的硬度在34~39HRC之間。

  當采用冷卻能力較強的水冷時,同樣為 φ 90mm的試樣,表面硬度可以達到54~55HRC,心部的最低硬度也能達到44HRC。試件尺寸大小對淬硬層深度的影響可用圖6 [1] 來說明,將鋼自奧氏體化溫度迅速冷卻到開始馬氏體相變的溫度,主要是依靠淬火劑把鋼件內部的熱量迅速導走。試件的尺寸越大,所含的熱量便越多,而使熱量自鋼件內部傳導至表面,最后為淬火劑冷卻所需的時間也越長,即鋼件的冷卻速度越慢。用同一材料做成不同尺寸大小的試件。大尺寸的試件,不論表面或中心的冷卻速度都是比較緩慢的。


  因此,小尺寸試件的整個截面可以完全淬透,而大型試件甚至連表面都不能淬硬。即使表面部分淬硬了,也會由于奧氏體的轉變在較高溫度進行的,以致所獲得的硬度也較低;尺寸越大,表面硬度也將越低。

  當試樣的尺寸由 φ 60m m×100m m增加到φ 90m m×100m m時,油冷試樣表面硬度由50H R C下降到40H R C。 φ 80m m×100m m和φ 90mm×100mm試樣油冷時,由于試樣尺寸較大,加熱后所含有的熱量較多,油的冷卻能力偏低,冷卻時淬火冷卻介質不能及時有效地吸收傳導出的熱量,使試樣在淬火時發生了回火,即自回火現象,導致試樣硬度較低。當采用冷卻能力較強的水冷卻時,外層的冷卻速度最強烈,試樣淬火后的表面硬度較高,即使是尺寸最大的φ 90mm×100mm試樣,表面也能達到54HRC,但由于表面和中心之間的冷卻速度相差最懸殊,使表面和心部的硬度也相差較大。
 ?。?)試樣尺寸和冷卻方式對硬化層組織的影響 由于實際冷卻速度大于或者小于臨界冷卻速度的情況不同,有的試件能完全淬透,油冷的試件只能在一定深度或表面層中淬成馬氏體組織,而中心部位則不能獲得淬火組織。
  從圖2可以看出, φ 60mm試件表面和心部為典型的馬氏體組織,因為40CrNiMo材料為中碳中合金鋼,所以形成板條和片狀兩種混合組織,是以片狀馬氏體為主,針狀形貌很明顯。直徑為70mm時,由于冷速降低,發生了貝氏體轉變,從表面到心部都存在部分的羽毛狀上貝氏體組織和粒狀貝氏體組織,越靠近中心,羽毛狀的貝氏體組織量越多。直徑為80mm時,基本上全都是貝氏體組織。越近中心,粒狀貝氏體區域越多、越集中。因為粒狀貝氏體的形成溫度一般在貝氏體轉變溫度區間的最上部,所以該組織的出現是冷速進一步降低的結果。直徑90mm與直徑80mm試件的組織形貌相似,基本上均為貝氏體組織。
  4. 結語
 ?。?)對于同一種材料,當淬火冷卻介質相同時,試件尺寸越大,表面硬度越低。
 ?。?)材料相同,試件尺寸相同時,淬火冷卻介質冷卻能力越強,表面硬度越高。

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