磨削淬火对60Si2Mn钢性能的影响

吴良芹

(沙洲职业工学院 机电工程系，江苏 张家港 215600)



磨削淬火对60Si2Mn钢性能的影响

吴良芹

(沙洲职业工学院 机电工程系，江苏 张家港 215600)

摘要：采用刚玉砂轮在普通平面磨床上对60Si2Mn钢进行了磨削硬化，研究其硬化层组织及变化规律。结果表明:表面磨削强化工艺可获得760HV以上的高硬度淬硬层，最大淬硬层深达2.0 mm；磨削淬火加热速度极快，细化了奥氏体晶粒，淬火马氏体组织非常细小，得到板条马氏体和片状马氏体的混合组织。

关键词：磨削；表面硬化；马氏体；维氏硬度

0引言

磨削淬硬是利用磨削过程中产生的磨削热直接对可淬硬钢件进行表面淬火的新工艺。该工艺可以替代感应淬火、火焰淬火和激光淬火等常用表面热处理工艺，减少零件热处理工序，并能减少排放物对环境的污染，属于典型的绿色制造和清洁化生产模式[1-3]。磨削淬火可以将淬火工艺与磨削加工集成到一条生产线上，达到简化工艺、降低成本的目的，大大提高了企业的生产效率和市场竞争力；还可以减少有害物质的排放及环境的污染。

自1994年德国的Brinksmeier.E和Brockhoff.T 提出了磨削淬硬工艺以来，国内外学者先后针对GCr15钢、65Mn钢、40Cr钢等进行了磨削硬化试验研究，并取得了若干创新成果[4-7]。本文以60Si2Mn钢为试验试样，在平面磨削硬化的基础上，研究其硬化层组织及在不同磨削条件下硬化层组织的变化规律。

1试验条件与方法

试验材料选用60Si2Mn钢板，其主要化学成分的质量分数为：0.61% C，0.24% Cr，1.64% Si，0.76% Mn，0.025% P，0.01% S。一部分试样经过850 ℃油冷淬火后制成试样，再用3%~5%硝酸酒精溶液腐蚀，制成金相试样后通过显微镜观察金相组织。其余试样分组进行单程磨削淬火试验，选用M7130型普通平面磨床为磨削淬火试验磨床，采用磨削试验工艺条件见表1。

表1　磨削试验工艺条件

磨削淬硬后，沿磨削淬硬层深度方向切取试样，研磨抛光试样后，用3%~5%硝酸酒精溶液腐蚀，制成金相试样。分别用HVS-1000型数字显微硬度计测量硬度和KH-7700的HIROX三维视频显微镜扫描金相组织。测量硬度时加载载荷为4.9 N，加载时间15 s，测取3点数据取平均值。

2试验结果

2.1　金相组织

在显微镜下观察淬火后试样，发现在850℃常规淬火工艺下得到的马氏体组织大部分为片状马氏体，存在少量局部板条状马氏体，在板条马氏体之间分布着块状残余奥氏体，如图1所示。而在磨削淬火后获得的马氏体组织则较常规淬火得到的马氏体组织细小，如图2所示。

图1　常温(870 ℃)淬火的金相组织

图2　60Si2Mn磨削淬火组织

由于随着淬火温度的升高，奥氏体晶粒明显长大，而板条马氏体的尺寸也逐渐长大；另外，残余奥氏体量也随淬火温度升高而增多。因为马氏体产生时相变体积膨胀，淬硬层会表现出压应力状态；在沿淬硬层与基体交界处的两界面处，晶粒呈现伸长变形；同时在磨削面的最外层晶粒也呈现拉长变形，如图2a所示。由于磨削淬火温度由外向里逐渐降低，通过显微镜发现里层的板条马氏体和残余奥氏体变少，而马氏体内沿晶界处存在较为明显的回火现象，如图2b所示。另外，由于工件表面在磨削加工时承受剪切应力作用的原因，工件表面材料在切屑形成时沿着剪切力方向产生塑形变形，从而使工件表层晶粒呈现拉长变形。

从以上现象可以得出：磨削淬火过程中温升速度极高，导致过热度很大，促使奥氏体转变向高温区偏移，转变温度升高显著。而靠近基体处的温度较低，使得磨削淬火时奥氏体转变不彻底，并导致原始组织中网状铁素体无法充分溶解。另由于磨削速度快，工件里层温度较低，工件基体无法产生相变，其金相组织仍为铁素体和珠光体的混合组织[6]。

2.2　试样硬度

在磨削淬硬过程中，以不同切削深度进行磨削淬火加工，然后测试其硬化层硬度。根据淬硬层中各测量点的维氏硬度值可以得到磨削淬硬层硬度变化曲线，如图3所示。从图3中可以发现，所有切深的磨削淬硬层硬度都可达550HV以上，且淬硬层硬度随着切深增加而升高，试验中测得最大淬硬层厚度超过2.0mm。因此，60Si2Mn钢磨削淬火硬度能够达到普通淬火条件下550HV的硬度标准，并可以得到较深的淬硬层。

图3　硬度变化曲线

3分析与讨论

3.1　磨削温度作用

磨削硬化是利用磨削过程中产生的热量，使工件表层温度上升，达到相变温度并奥氏体化；在磨削应力—应变场作用下奥氏体晶粒“碎化”，然后通过工件的快速冷却，实现自冷淬火[5]。因在磨削淬硬过程中，工件表面的加热速度达到103℃/s，使得奥氏体中碳含量不等，成分不均匀性显著加剧，使得磨削冷却后获得板条状马氏体的淬火组织。

3.2　硬化层组织的形成

在磨削淬火中，磨削热能量密度非常大，导致在奥氏体化过程中先共析的铁素体无法完全溶解，碳原子扩散不充分，从而导致部分奥氏体中含碳量增大；由于碳浓度的分布不均匀，奥氏体晶粒细小，从而使奥氏体强度得到了

提高。60Si2Mn钢属中碳合金弹簧钢，其马氏体相变温度Ms点约为300℃，在磨削淬火冷却至室温时，碳原子扩散会产生偏聚区。在磨削淬火过程中，工件表面的温度变化速度极快，工件承受机械应力时伴有塑性变形，淬火后马氏体组织的晶格畸变增大、畸变能较高。在试验中观察到，磨削淬火马氏体组织中有明显的自回火现象。

3.3　磨削条件的影响

在其他磨削工艺条件不变时，随着磨削深度αp的增加，砂轮与工件接触时间会延长，表面加热温度随之升高，奥氏体晶粒细化；同时奥氏体晶粒残余应变增大，导致奥氏体晶粒“碎化”、位错密度较高。由于升温极快，没有保温时间，形成的奥氏体均细小，冷却后均得到细小的马氏体组织。

通常情况下，材料硬度越高，磨削热和磨削力也就越大。在不改变其他磨削工艺条件时，退火态试样硬度比调质态试样的低、磨削力小、磨削热量少，试样表面温度低[4]。因此，磨削淬火形成的奥氏体晶粒不容易长大。

4结论

1) 60Si2Mn钢磨削淬火后可以得到较为细小的马氏体，晶粒在沿淬硬层内与基体交界面法向呈现伸长变形，马氏体内存在自回火现象。

2) 60Si2Mn磨削淬硬层的硬度很高，达到760HV以上，淬硬层硬度随着切深增加而升高，最大淬硬层可达2.0mm以上。

参考文献:

[1] Brinksmeier E, Brockhoff T. Randschicht-Wärmebehandlung dursh Schleifen[J]. Harterei-Techn- Mitt,1994,49⑸: 327-330.

[2] Brockhoff T. Grinding-Hardening: A Comprehensive View[J]. Annals of the CIRP,1999,48⑴: 255-260.

[3] Zarudi I, Zhang L C. Mechanical Property Improvement of Quenchable Steel by Grinding[J]. Journal of Materials Science, 2002, 37(18): 3935-3943.

[4] 刘菊东，王贵成，陈康敏，等. 非淬硬钢磨削表面硬化层的试验研究[J]. 中国机械工程,2005,16(11):1013-1017.

[5] 刘菊东，王贵成，陈康敏，等. 65Mn钢磨削硬化层组织的研究[J]. 中国机械工程, 2004，15(17):1573-1576.

[6] 王晓燕. F48MnV钢磨削强化机理研究[D]. 南京：南京航空航天大学.2008.

[7] 刘菊东，王贵成，陈康敏，等. 中碳钢缓进干磨表面硬化层特征[J]. 金属热处理,2005,30(12):35-38.

Effect of Grinding Hardening stay on 60Si2Mn Steel

WU Liang-qin

(Department Mechanical and Electrical Engineering，Shazhou Polytechnical Institute of Technology， Zhangjiagang 215600，China)

Abstract:The grind-hardening of steel 60Si2Mn is carried out on a conventional surface grinder by use of alumina grinding wheel and the microstructures of hardened layer are investigated. The results show that the micro-hardness of the grind-hardening layer is more than 760HV, and the thickness of grinding hardened martensite layer is up to 2.0 mm. Due to the fast speed of grinding hardening refines the austenite grain size and quenched martensitic microstructure are refined，and conformity microstructure of lathmartensite and plate martensite is obtained.

Keywords:grinding; superficial hardening; martensite; Vickers-hardness

中图分类号：TG580.6

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)02-0076-02

作者简介：吴良芹(1975-)男，江苏泰州人，讲师，硕士，研究方向：车辆工程、机械工程。

基金项目：江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项目(2013)

收稿日期：2014-11-21