感應(yīng)加熱工藝參數(shù)對(duì)45鋼淬火組織的影響

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 （201418） 張紅英

上海柴油機(jī)股份有限公司 （200438） 黃法平

感應(yīng)加熱廣泛用于齒輪、軸、曲軸、凸輪和軋輥等工件的表面淬火，目的是提高這些工件的耐磨性和抗疲勞破壞的能力。汽車后半軸采用感應(yīng)淬火，設(shè)計(jì)載荷下的疲勞循環(huán)次數(shù)比用調(diào)質(zhì)處理約提高10倍。感應(yīng)淬火的工件材料一般為中碳鋼，淬火冷卻介質(zhì)常用水或高分子聚合物水溶液。

感應(yīng)淬火的主要優(yōu)點(diǎn)是：加熱速度快，工件表面沒(méi)有脫碳，也不會(huì)有嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象；變形量較??；淬硬層馬氏體組織較細(xì)，硬度、強(qiáng)度、韌性都較高；表面淬火后工件表層有較大壓應(yīng)力，工件抗疲勞破壞能力較高等。美國(guó)到20世紀(jì)末，感應(yīng)熱處理工件量占整個(gè)熱處理零件量的35%。

本文研究45鋼感應(yīng)淬火組織與相關(guān)工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為制訂合理的感應(yīng)淬火工藝，控制產(chǎn)品的組織性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供實(shí)踐依據(jù)。

1.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為45鋼，正火狀態(tài)。試樣形狀為圓柱形，直徑為17mm。試樣感應(yīng)加熱的頻率為15kHz，感應(yīng)圈與工件之間的間隙為3mm，工件旋轉(zhuǎn)速度為90r/min，淬火冷卻介質(zhì)為水（水壓0.2～0.3MPa，水溫15～30℃），感應(yīng)加熱的功率、感應(yīng)圈與工件之間的相對(duì)移動(dòng)速度見(jiàn)表1。

在感應(yīng)淬火處理的試樣上截取金相分析樣品，分析樣品橫截面上由表面至心部的組織和表層淬硬層深度。

表1 試樣感應(yīng)加熱的工藝參數(shù)

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖1可見(jiàn)，試樣原始組織為鐵素體+珠光體，鐵素體呈網(wǎng)狀。

圖1 試樣原始組織

試樣表面感應(yīng)淬火后，橫截面表層金相組織如圖2所示。從圖可見(jiàn)，試樣經(jīng)70kW、8.5mm/s表面感應(yīng)淬火后，由表面至心部按其金相組織分為四層：表面馬氏體區(qū)（M）；往里為馬氏體+鐵素體（M+F）；再往里為馬氏體+鐵素體+珠光體區(qū)（M+F+P），此層非常??；中心相當(dāng)于溫度低于奧氏體開(kāi)始形成溫度區(qū)，為淬火前原始組織，即珠光體+鐵素體。

圖2 試樣感應(yīng)淬火后的截面組織（70kW、8.5mm/s）

圖3 是在400倍觀察的不同工藝參數(shù)下試樣表層馬氏體組織的形態(tài)。由圖3可見(jiàn)，試樣經(jīng)40kW表面感應(yīng)淬火后，表層馬氏體組織中存在托氏體組織，其位于原鐵素體處。這是由于功率較低、試樣表面溫度較低，表層奧氏體組織成分不均勻，原鐵素體處的奧氏體含碳量較低，淬透性差，冷卻時(shí)形成托氏體。而70kW表面感應(yīng)加熱，試樣表層溫度較高，表層奧氏體成分較均勻，冷卻后獲得馬氏體組織。同時(shí)可見(jiàn)70kW表面感應(yīng)淬火后，馬氏體晶粒明顯比40kW的粗大；工件相對(duì)移動(dòng)速度為6.5mm/s時(shí)的表層馬氏體組織比11mm/s時(shí)的粗大。說(shuō)明功率增加，工件相對(duì)移動(dòng)速度減少，高溫奧氏體晶粒粗化。

圖3 試樣感應(yīng)淬火后的表層馬氏體組織

工件表面淬火后表面殘留應(yīng)力為壓應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力大小及分布與淬硬層深度有關(guān)，同時(shí)還與沿淬火層深度的硬度分布有關(guān)，即與表面馬氏體層的深度、過(guò)渡區(qū)的寬度以及工件截面尺寸等有關(guān)。

宏觀測(cè)定表面淬火淬硬層深度是依據(jù)淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)的顏色差別來(lái)測(cè)定的。首先將試樣橫截面進(jìn)行金相制樣，用硝酸酒精腐蝕，根據(jù)淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)的顏色差別（見(jiàn)圖4）來(lái)確定。各試樣宏觀測(cè)定的淬硬層深度值見(jiàn)表2。

圖4 試樣金相制樣

金相法測(cè)定表面淬火淬硬層深度一般從表面計(jì)至半馬氏體（50%M）區(qū)。不同工藝參數(shù)感應(yīng)淬火試樣截面的表層馬氏體組織厚度、過(guò)渡層組織厚度以及表層馬氏體組織厚度與過(guò)渡層組織厚度的1/2之和的數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 試樣淬硬層深度

由表2可見(jiàn)，其他條件一定時(shí)，隨功率增加，試樣表層馬氏體層、過(guò)渡層的厚度增加；隨工件相對(duì)移動(dòng)速度增加表層馬氏體層、過(guò)渡層的厚度不斷減少。金相法測(cè)定的表層馬氏體厚度與過(guò)渡層厚度的1/2之和與宏觀法測(cè)定的淬硬層深度數(shù)值相當(dāng)。有資料介紹，對(duì)高頻淬火而言，中小尺寸零件的淬硬層深度為工件半徑的10%～20%，而過(guò)渡區(qū)的寬度為淬硬層深度的25%～30%較為合適。依據(jù)此結(jié)論，結(jié)合表層馬氏體組織特點(diǎn)可知，此試樣在試驗(yàn)范圍內(nèi)較合適的感應(yīng)加熱工藝參數(shù)為70kW、8.5～11mm/s。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）正火態(tài)45鋼試樣經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，由表面至心部有四層組織：馬氏體（部分樣品中含有托氏體）、馬氏體+鐵素體、馬氏體+鐵素體+珠光體（此層非常薄）、中心珠光體+鐵素體原始組織。

（2）45鋼經(jīng)40kW感應(yīng)加熱時(shí)，高溫奧氏體中成分分布不均勻，表層馬氏體組織中于原鐵素體處出現(xiàn)托氏體組織。

（3）45鋼感應(yīng)加熱時(shí)，隨功率增加試樣表層馬氏體層、過(guò)渡層的厚度增加；隨工件相對(duì)移動(dòng)速度增加表層馬氏體層、過(guò)渡層的厚度不斷減少。較合適的感應(yīng)加熱工藝參數(shù)為70kW、8.5～11mm/s。

（4）金相法測(cè)定的表層馬氏體厚度與過(guò)渡層厚度的1/2之和與宏觀法測(cè)定的淬硬層深度數(shù)值相當(dāng)。

（20130726）