低碳钢淬火后硬度及显微组织研究

翟鹏飞，尉丰婵，张志勇

（山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800）

1 研究的背景及意义

低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等。在以前由于低碳钢较低的硬度与强度等性质，在使用范围方面受到了较大限制。最近，随着高新技术的推广应用，低碳钢的用途得到了较大的开发利用。这也给我们对低碳钢的综合利用，指明了新的道路。本文通过对低碳钢在水介质中，进行不同温度下的淬火作为钢的热处理方法，分别在硬度计与金相显微镜中进行试验，研究其硬度及金相组织，探究它们的关系，具有一定的实践意义。

2 研究内容与方法

通过研究20#钢在不同温度下进行淬火，测试其硬度并观察组织的变化，进而进行分析研究，所用试样为直径30 mm，高40 mm的小圆柱体。

2.1 加热时间

在实际生产中，只有在使用大型工件或熔炉时，才会分别考虑加热时间和保温时间。但在普通的时候下，加温和保持恒温两个时段被我们一起叫作淬火加热时间。常用公式为：加热时间=加热系数×装炉量修正系数×工件有效厚度。

2.2 加热温度

20#钢属于亚共析钢，对于亚共析钢，淬火加热的温度应该选用在超过AC3之上的30℃～50℃温度范围，可以充分奥氏体化，晶粒尺寸也较细小。

2.3 淬火介质

水是一种具有强大冷却能力的淬火介质。在300℃～100℃中，我们把这个温度区间称为马氏体转变温度区，在此区间内，水是沸腾的，形成的冷却是非常快的，随之马氏体转变的速度也会非常快。水是一种良好的冷却介质，用于淬火和冷却小尺寸和简单形状的碳钢工件。

根据以上因素，我们选择箱式电阻炉作为淬火用加热设备，根据工艺手册可知，保温时间的计算公式

式中：t——保温时间；ɑ——保温时间系数，min/mm；K——工件装炉方式修正系数；H——工件的有效直径或厚度，mm。

由于我们选择的是将工件单个平放，所以我们的修正系数是1。我们所有选用的工件是圆柱体，H=h，它的有效厚度为1 cm，即H=10 mm，所以根据公式（1）可得，我们的加热时间为：t=1×1×40=40 min，因此我们的加热时间为40 min。

20#钢的Ac3为855℃，所以我们选择的温度为880℃，920℃。

2.4 金相组织观察

对冷却后的试样进行打磨，分别在不同牌号的金相砂纸上从粗到细进行试样磨制，之后在金相抛光机上进行抛光，经4%硝酸酒精腐蚀后，在金相显微镜下观察其组织。

2.5 布氏硬度测试

在观察完金相组织后，我们还需要对在不同温度下淬火后的20#钢进行硬度测试。我们选择布氏硬度，选用球压头，型号为2.5，检测时选择1 839 N，对于黑色金属，载荷的维持时间在10～15 s，在实验中我们选择了11 s作为保持时间，将每组使用的材料都测试3次，取平均值。

表1 样品处理前后的硬度Tab.1 Hardness of samples before and after treatment

3 结论

通过观察及分析发现在淬火后，试样的硬度有明显提高，而且温度较高时的淬火后试样硬度更大一些，较原材硬度提升了约31%，结合金相图片，在高温下淬火后的组织内部具有更多的渗碳体，由于渗碳体的硬度很高，提高了试样的硬度。