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标准与技术

淬火硬化层深度的影响因素

发布时间:2018-06-11   来源:每天学点热处理  

  钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力,是钢本身固有的一个属性,主要与钢的过冷奥氏体稳定性或与钢的临界冷却速度有关。而影响淬硬深度(淬透深度)的因素是多方面的,对于一种材料状态,主要受临界冷却速度、淬火冷却介质和试件尺寸大小等因素的影响。本文通过基础工艺试验,研究淬火冷却介质、试件尺寸大小对40CrNiMo材料淬火硬化层深度的影响。

  1. 试验

  (1)试验材料 工艺试验选用40CrNiMo材料,直径分别为60mm、70mm、80mm和90mm的棒材,切割成长度为100mm的试样,材料的化学成分符合表1的要求。

  (2)设备 中温箱式电炉、洛氏硬度机、金相显微镜、水冷砂轮切割机。

  ( 3 ) 试验方法 一 : 将 尺 寸 为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×100mm的40CrNiMo材料圆柱试样在850℃淬入油和水中,保温试件依次为3h、4h、4h20min和5h,淬火后的试样,截断成两个相等部分,切断时务必注意切断处不要过热,再把断口磨光,研磨时也需冷却,然后在沿磨光截面的直径上每隔2mm的各点上测量硬度(HRC),根据中心和表面硬度的数值和差异,对比试样尺寸大小和淬火冷却介质的冷却能力对淬硬

  层深度的影响。

  方法二:将淬火后的40CrNiMo圆柱试样切割为金相试样,每试样沿横向中心截面方向切割出表面、二分之一半径、中心各1件。观察金相组织,分析影响硬化层深度的因素。组织对比试样的取样位置如图1所示。


  2. 试验结果

  (1)不同尺寸试样硬度梯度结果 采用试验方法一测得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试样油冷的硬度梯度数据


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





  (2)截面不同区域的金相组织观察结果 采用试验方法二,测得不同尺寸大小油冷试样表面、

  3. 分析与讨论

  (1)试样尺寸和冷却方式对淬火硬化层深度的影响 从表2~表5的硬度数据可以看出,当都采用油冷时,直径为60mm的试样表面到心部的硬度基本一致,在50HRC左右;直径增加为70mm时,表面硬度为50HRC左右,心部硬度在44~45HRC之间;直径继续增加到80mm时,整个截面的硬度变化不大,都在39~43HRC之间;当直径达到90mm时,硬度下降更多,截面的硬度在34~39HRC之间。

  当采用冷却能力较强的水冷时,同样为 φ 90mm的试样,表面硬度可以达到54~55HRC,心部的最低硬度也能达到44HRC。试件尺寸大小对淬硬层深度的影响可用图6 [1] 来说明,将钢自奥氏体化温度迅速冷却到开始马氏体相变的温度,主要是依靠淬火剂把钢件内部的热量迅速导走。试件的尺寸越大,所含的热量便越多,而使热量自钢件内部传导至表面,最后为淬火剂冷却所需的时间也越长,即钢件的冷却速度越慢。用同一材料做成不同尺寸大小的试件。大尺寸的试件,不论表面或中心的冷却速度都是比较缓慢的。





  因此,小尺寸试件的整个截面可以完全淬透,而大型试件甚至连表面都不能淬硬。即使表面部分淬硬了,也会由于奥氏体的转变在较高温度进行的,以致所获得的硬度也较低;尺寸越大,表面硬度也将越低。


  当试样的尺寸由 φ 60m m×100m m增加到φ 90m m×100m m时,油冷试样表面硬度由50H R C下降到40H R C。 φ 80m m×100m m和φ 90mm×100mm试样油冷时,由于试样尺寸较大,加热后所含有的热量较多,油的冷却能力偏低,冷却时淬火冷却介质不能及时有效地吸收传导出的热量,使试样在淬火时发生了回火,即自回火现象,导致试样硬度较低。当采用冷却能力较强的水冷却时,外层的冷却速度最强烈,试样淬火后的表面硬度较高,即使是尺寸最大的φ 90mm×100mm试样,表面也能达到54HRC,但由于表面和中心之间的冷却速度相差最悬殊,使表面和心部的硬度也相差较大。

  (2)试样尺寸和冷却方式对硬化层组织的影响 由于实际冷却速度大于或者小于临界冷却速度的情况不同,有的试件能完全淬透,油冷的试件只能在一定深度或表面层中淬成马氏体组织,而中心部位则不能获得淬火组织。

  从图2可以看出, φ 60mm试件表面和心部为典型的马氏体组织,因为40CrNiMo材料为中碳中合金钢,所以形成板条和片状两种混合组织,是以片状马氏体为主,针状形貌很明显。直径为70mm时,由于冷速降低,发生了贝氏体转变,从表面到心部都存在部分的羽毛状上贝氏体组织和粒状贝氏体组织,越靠近中心,羽毛状的贝氏体组织量越多。直径为80mm时,基本上全都是贝氏体组织。越近中心,粒状贝氏体区域越多、越集中。因为粒状贝氏体的形成温度一般在贝氏体转变温度区间的最上部,所以该组织的出现是冷速进一步降低的结果。直径90mm与直径80mm试件的组织形貌相似,基本上均为贝氏体组织。

  4. 结语

  (1)对于同一种材料,当淬火冷却介质相同时,试件尺寸越大,表面硬度越低。

  (2)材料相同,试件尺寸相同时,淬火冷却介质冷却能力越强,表面硬度越高。

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