检测过程对40MnBH钢末端淬透性的影响与控制*

杨顺虎, 徐　浩， 杨　军， 乔盼峰

(1. 东北大学材冶学院， 辽宁 沈阳　110006；2. 江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司， 江苏 淮安　223002)



检测过程对40MnBH钢末端淬透性的影响与控制*

杨顺虎1,2, 徐浩2， 杨军2， 乔盼峰2

(1. 东北大学材冶学院， 辽宁 沈阳110006；2. 江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司， 江苏 淮安223002)

介绍了末端淬透性的试验原理，通过一系列相关因素的试验及分析，提出控制淬透性试验准确性的重要环节。

热处理； 末端淬透性； 试样； 洛氏硬度

1　末端淬透性实验原理

淬透性是钢的一种重要的热处理工艺性能，是钢的一种属性，指钢在淬火时形成马氏体的能力。淬透性的评定标准通常认为：除马氏体外，允许含有一定量的非马氏体组织。一般采用表面至半马氏体组织(即该层是由50%马氏体和50%非马氏体组织组成)的距离作为淬硬层深度，并用这个淬硬层深度作为评定淬透性的标准。淬透层越深，表明钢的淬透性越高[1]。

根据国家标准(GB/T225-2006)规定，钢的淬透性用末端淬火法测定。测定时将标准试样(Φ25 mm×100 mm)按规定的奥氏体化条件加热后，迅速取出放入末端淬火试验机的试样架孔中，立即由末端喷水冷却。因试样是一端喷水冷却，故水冷端的冷却速度最快，越往上冷却速度越慢，头部的冷速相当于空冷。因此沿试样长度方向上由于冷却条件的不同，获得的组织和性能也将不同。冷却完毕后沿试样两侧长度方向每隔一定间距测量一个硬度值，即可得到沿长度方向上的硬度变化情况。

2　影响末端淬透性测定的主要因素与控制

2.1试样坯料的制取与控制

图1　检验面位置(单位：mm)

2.2热处理操作的影响与控制

试样坯料在进行热处理时，热处理操作的准确性、规范性对检验结果有着较大的影响[2]。首先按产品标准的要求确定试验温度，并对炉温进行较准，

表1　取样位置对淬透性值的影响

确保炉温准确。试样坯料热处理工艺过程应严格按GB/T225-2006标准要求进行控制。

(1)加热炉的选择会影响淬透性，在实际操作中这是很重要的，往往容易忽视。例如用箱式电炉就比盐浴炉产生的氧化、脱碳现象严重，会降低淬透性。

(2)热处理时应将试样坯料放置在炉中温度较为均匀处。

(5)试样从炉中取出放在支座上定位期间，只能用钳子夹住非淬火端的凸缘处或凹槽处;喷水时间大于10 min，此后可将试样浸入冷水中完全冷却。

下面以Φ58 mm的40MnBH钢为例(产品标准要求淬火温度为850±5 ℃)，1#试样淬火温度为870 ℃，2#试样淬火温度为850 ℃，3#试样淬火温度为830 ℃，淬火时间为11 min，3个试样其他步骤按GB/T225-2006规定执行。如表2所示，控制加热温度能在一定程度上影响淬透性。

表2淬火温度对淬透性值的影响

钢种坯料规格/mm淬火温度/℃钢字号硬度值J1.5J3J5J7J9J11J13J15J20J25J3040MnBH588708508301#2#3#58.658.657.756.554.752.541.035.629.128.326.359.058.456.855.455.150.140.836.330.827.626.058.358.457.256.254.049.140.834.429.827.726.458.658.056.755.954.649.841.434.529.727.825.758.556.256.254.752.148.038.331.228.626.325.257.655.754.553.653.648.937.832.926.525.825.0

2.3末端淬透性试样的制备

GB/T225-2006中，具体淬火装置示意图如图2所示。

2.3.1试样厚度对末端淬透性的影响

下面以Φ58 mm的40MnBH钢为例，

GB/T225-

图2　淬火装置示意图(单位：mm)

2.3.2试样长度、淬火装置喷水高度对末端淬透性的影响与控制

同样以Φ58 mm的40MnBH钢为例，GB/T225-2006中用机加工方法制成的标准试样长度为(100±0.5)mm，把1#试样制成长度为100.0 mm试样、2#试样制成长度为97.0 mm试样、3#试样制成长度为103.0 mm试样，3个试样其他步骤均按国家标准规定执行，测试结果如表4所示。

以Φ58 mm的40MnBH钢为例，GB/T225-2006规定无试样放置时水射流的高度为(65±10)mm。而试验中把1#试样无试样放置时水射流的高度定为70 mm、2#试样无试样放置时水射流的高度定为65 mm、3#试样无试样放置时水射流的高度定为60 mm，3个试样其他步骤均按国家标准规定执行，测试结果如表5所示。

表3　试样直径对淬透性值的影响

表4　试样长度对淬透性值的影响

表5　淬火装置喷水高度对淬透性值的影响

如表4，5所示，控制由水厢水压决定的水柱高度、水柱与试样端部距离都能影响淬透性。

2.3.3水温对末端淬透性的影响与控制

热处理冷却介质的冷却特性和冷却速度，对钢的淬透性也有很大影响。冷却速度快的，淬透性就提高，冷却速度慢，淬透性就降低[3]。下面以Φ58 mm的40MnBH钢为例，GB/T225-2006要求淬火时喷水装置的水温为(20±5)℃，把1#试样淬火时水温设为25 ℃、2#试样淬火时水温设为21 ℃、3#试样淬火时水温设为17 ℃，3个试样其他步骤均按GB/T225-2006规定执行。测试结果如表6所示，控制淬火时喷水装置的水温也能影响淬透性。

2.3.4末端淬透性试样检测面加工的影响与控制

根据GB/T225-2006标准规定，端淬后的试样加工控制有如下要求：

(1)当采用机加工制取试样时，应在每次磨制前应对平面磨床砂轮进行检查、修磨；应在平行于试样轴线方向上磨制两个相互平行的平面，用于测量硬度；测量硬度的两个平面应处于与试料表面相同的距离处。

表6　水温对淬透性值的影响

(2)磨制硬度测试平面时，必须用充足的冷却液进行冷却，防止试样由于磨削生热而引起组织发生变化。

(3)试样磨制过程中应严格控制磨床的进刀量，每次应不大于0.05 mm，磨削深度应为0.4～0.5 mm，试样磨制面宽度应控制在5～7 mm范围内。

(4)在试样加工过程中，应避免磨制面深浅不一或两磨制面相互不平行的现象。

(5)保证试样磨制面的粗糙度符合Ra≤0.8μm的要求。

下面以Φ58 mm的40MnBH钢为例，测试其在不同粗糙度时的端淬结果，测试中以GB/T225-2006标准要求的合格的粗糙度为标准参考值。表面粗糙度采用手持式粗糙度仪进行测试。测试结果如表7所示，可见随着试样表面粗糙度值的升高，硬度值会降低。

表7　表面粗糙度对淬透性值的影响

2.5洛氏硬度值的测量的影响与控制

2.5.1规定测试点位置的准确定位

如果试验单位采用的是瑞士ERNST公司生产的带自动定位系统的洛氏硬度机，测试点位置由试验机自动确定，那就可以保证测试点位置的准确性。

如果试验条件所限，采用手动洛氏硬度试验机进行末端淬透性检验时，测试点的定位可采用游标卡尺在试样检测面划线定位的方式来完成，但手工划线若不准确，会影响试验结果的准确性。

2.5.2测定洛氏硬度值时的注意事项

(1)应在GB/T225-2006规定期限内请计量部门按标准对试验机的加荷速度、保载时间和卸载时间进行检定，确保试验机运行状态良好。

(2)每次试验前应采用标准洛氏硬度块对试验机进行校准，对误差范围做出记录，适当时可对所测定的结果进行修正。

(3)测试洛氏硬度值时，手动式洛氏硬度计检验末端淬透试样时可以在测试点1.5 mm处打一空点，检测时试样应沿着载物台面平行地将试样移动，在检测过程中试样不能离开载物台面，保证试样平面的中心线对准压头，且使压痕位置的精度在±0.1 mm，以确保测试点的测试准确性。采用自动定位系统的洛氏硬度机，不需进行以上操作。

(4)标准要求测试硬度时第一个平面上压痕的凸起边缘不会影响第二个平面的测试。

(5)通常只有用手动式洛氏硬度计测量时，才用平面磨或水砂纸进行修磨，正常带自动定位系统的自动式硬度计无需修磨。

2.6影响钢的末端淬透性试验结论

检测过程对钢的末端淬透性试验的影响与控制，在实验条件下得出如下结论：

(1)试样坯料的制取过程中，中心取样会因为钢的低倍组织、成分偏析等原因导致两测试面淬透性值相差较大，J7最大差值达5.1，因此取样要控制为偏心取样。

(2)试样坯料在热处理时，设备的选择、设备控温精度会对结果产生影响，通过实验发现，温度提高20℃，淬透性值相差会有1～2 HRC，因此设备的选择及操作必须控制其准确性、规范性。

(3) 通过实验发现，试样的直径大、试样的长度小、淬火装置的喷水高度低、淬火的水温高都会影响着钢的淬透性，其值相对要低1～2HRC。因此，要对试样的加工过程、淬火水柱高度、淬火水温加以控制。

(4)端淬试验试样的机加工、洛氏硬度值的检测都会对末端淬透性的检测结果产生影响。通过实验可发现粗糙度高的试样，硬度值会低1HRC,因此末端淬透性试验时，要按标准控制试样加工、检验步骤，保证淬透性检验结果的准确性。

3　结　论

通过对40MnBH钢的实验，总结得出影响其末端淬透性测定的影响因素有试样坯料的制取、热处理操作的准确性、末端淬透性试样的制备、洛氏硬度值的测量和人为因素等，必须在检测过程中加以控制。

[1]刘学勤.常用钢淬透性图册[M].北京:化学工业出版社，2011.

[2]刘虎林.金属材料知识手册[M]. 长沙:湖南科学技术出版社, 1981.

[3]吴秀恂,周光裕.钢的淬透性应用技术[M].北京：机械工业出版社，1984.

2015-09-25

杨顺虎(1974—)，男，高级工程师 。E-mail： YSH3754134@163.com

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