亚温淬火温度对45钢组织和性能的试验研究*

贾金凤，甘春天，牛泽鹏，肖荣振，陈洪伟

(1.兰州理工大学 技术工程学院，甘肃 兰州 730300; 2.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050；3.国家管网集团西南管道有限责任公司昆明维抢修分公司 兰州抢修中心，甘肃 兰州 730300)

0 引 言

亚温淬火，加热温度在AC1～AC3之间，即将亚共析钢加热到奥化体和铁素体两相区后进行淬火的工艺[1]。亚温淬火的优点主要有：节省热源消耗，减少原材料损耗，使淬火组织中保留有部分未溶铁素体。既保证了硬度，减少了变形，又防止了裂纹。亚温淬火后的材料可形成铁素体-马氏体组织，综合性能良好，从而拓宽了材料的使用范围[2]。

45钢为含碳量0.45%的优质碳素结构钢，常用于制造较高强度的运动零部件，如轴、活塞、叶轮、齿条等[3]。但45钢的淬透性较低，在水淬时具有开裂倾向。因此运用亚温淬火理论来改善提高45钢的综合性能，对提高零件质量、安全稳定性具有重要意义[4-5]。笔者选用45钢为研究对象，分析了其在不同亚温淬火温度下的组织、性能的变化，为45钢亚温淬火提供参考依据。

1 材料与试验方法

以Φ10 mm×200 mm的45钢棒材为试验原材料。其主要化学成分(wt%)如表1所列。

表1 45钢化学成分(wt%)

亚温淬火前，进行正火预处理。正火工艺为：将试样加热到840 ℃后，保温60 min，空冷。亚温淬火工艺为：将正火后的试样加热到亚温淬火温度后，保温60 min，水冷。回火工艺为：将淬火后的试样加热到200 ℃，保温180 min，空冷。亚温淬火温度分别为：730 ℃，740 ℃、750 ℃、760 ℃、770 ℃，每组3个试样。金相试样的尺寸为：Φ10 mm×20 mm，参考国标GB6397-86，冲击韧性试样如图1所示。拉伸试样如图2所示。

图1 冲击韧性试样

图2 拉伸试样

2 结果与分析

2.1 金相组织分析

采用4%浓度硝酸酒精腐蚀液对试样进行腐蚀，腐蚀时间：15 s，用清水冲洗。在型号为MEF-3万能金相显微镜下观察，结果如图3所示。

图3 不同温度45钢亚温淬火+回火金相图片

由图3(a)、3(b)可知，在奥氏体化过程中，渗碳体中的碳没有完全过度到铁素体中，奥氏体化程度较低。主要原因是温度过低，扩散动力不足。致使回火马氏体量少且形状大小不一、分布不均。随着温度的上升，组织中铁素体含量逐渐减少，马氏体含量不断增加，回火马氏体不断增多且分布也变得均匀[6]。由图3(e)可知，组织中出现了大量板条马氏体，主要原因是随着温度的提高，马氏体的形态与奥氏体的成分相关，淬火温度越高，奥氏体成分趋于均匀，板条马氏体数量随之增加[7]。板条马氏体可以使材料具有很好的强度、硬度和塑韧性。

运用Image-pro plus 6.0软件对金相组织中马氏体含量进行了分析，分析结果如图4所示。经计算，730 ℃、740 ℃、750 ℃、760 ℃、770 ℃亚温淬火后组织中的马氏体含量分别为：11.586 7%、26.085 1%、56.445 0%、76.624 8%、79.086 0%。但由于亚温淬火温度低于传统淬火温度，奥氏体在共格相变过程中会形成一些碳含量较大的片状珠光体，且受软件参数局限，这样的组织可能被误认为马氏体，故测量值较实际值，整体有所偏高。但不影响其规律即：亚温淬火所得马氏体含量随着温度的升高而增加，铁素体含量逐渐减少[7]。

图4 Image-pro plus 6.0软件对金相组织中马氏体含量测量结果

2.2 力学性能分析

(1)硬度分析

采用型号为HD-150的洛氏硬度计，对每组试样进行硬度测试，每组试样共3个，测量后取平均值。所得结果如图5所示。可知，随着淬火温度升高，硬度也随之升高。770 ℃淬火时硬度达到51.0 HRC。

图5 不同温度45钢亚温淬火+回火硬度值

(2)拉伸性能分析

采用型号为100D的微机控制电子式万能试验机对试样进行了抗拉强度分析，结果如表2所列。可知，随着淬火温度的升高，抗拉强度逐渐增大，750 ℃亚温淬火时延伸率最大。主要是因为组织内回火板条马氏体、回火针状马氏体和铁素体综合作用的结果。板条马氏体具有较高的强度、硬度和良好的塑性。针状马氏体则强度、硬度很高，但塑性很低。

表2 不同温度下亚温淬火最大载荷和抗拉强度表

3 结 论

采用亚温淬火对45钢进行试验研究，通过对比分析不同亚温淬火温度下其微观组织和力学性能，得出以下结论。

(1)随着亚温淬火温度的上升，45钢中回火板条马氏体含量逐渐增多，分布趋于均匀，铁素体含量逐渐减少。

(2)由于板条马氏体具有较高强度、硬度的同时还具有相当高的韧性和塑性。故45钢的硬度、抗拉强度等性能随着淬火温度的上升逐渐增强。

(3)45钢通过亚温淬火内部组织良好、综合性能优异，可以为制作性能优异的零部件提供参考依据。