發(fā)布時間：2022-04-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：采用顯微硬度測試、室溫拉伸試驗(yàn)與顯微組織觀察分析，研究了中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對 30MnB5 鋼板顯微組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：電源電壓與工件移動速度對 30MnB5 感應(yīng)淬火工藝處理后的力學(xué)性能影響顯著。隨著電壓的升高與移動速度的降低，材料強(qiáng)度與硬度
摘 要：采用顯微硬度測試、室溫拉伸試驗(yàn)與顯微組織觀察分析，研究了中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對 30MnB5 鋼板顯微組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：電源電壓與工件移動速度對 30MnB5 感應(yīng)淬火工藝處理后的力學(xué)性能影響顯著。隨著電壓的升高與移動速度的降低，材料強(qiáng)度與硬度均得到明顯提升，但塑性下降較快。 經(jīng)感應(yīng)淬火處理后，30MnB5 顯微組織由初始的鐵素體+珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。 根據(jù)強(qiáng)塑積計(jì)算結(jié)果，30MnB5 最佳感應(yīng)淬火工藝參數(shù)為電源電壓 480 V，移動速度 400 mm/min。 該工藝參數(shù)下，強(qiáng)塑積達(dá)最大(20755 MPa·%)，綜合力學(xué)性能最佳。
關(guān)鍵詞：30MnB5 鋼;感應(yīng)淬火;力學(xué)性能;顯微組織;強(qiáng)塑積
30MnB5 作為熱沖壓成形鋼[1-2]，是一種適用于熱成形工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板，具有較好的加工性能與良好的焊接性能。由于 B 元素的添加，30MnB5 鋼板的淬透性更好，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后其硬度顯著提升，常被用作耐磨件、刀具、齒板等零件。 30MnB5 鋼板作為耐磨件使用時[3-4]，通常需要進(jìn)行淬火工藝改善其使用硬度，達(dá)到較好的抗磨損服役性能。通常采用整體淬火工藝，可以使 30MnB5 鋼板力學(xué)性能得到顯著提升，尤其是強(qiáng)度與硬度提升十分明顯，但同時需要以損失較大的塑性為代價[5] 。 另一方面，整體淬火工藝能耗高，對環(huán)境污染大，造成生產(chǎn)成本較高。 耐磨件通常是表面層需要有較高的硬度與較好的耐磨性，同時在使用過程中由于會遭受一定程度的沖擊，因而需要一定的抗沖擊韌性。 中頻感應(yīng)加熱具有加熱速度快，變形小;材料心部高韌性，表面高硬度;效率高，能耗低，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。加熱過程可以通過控制加熱溫度、冷卻速度、工件移動速度等參數(shù)達(dá)到最優(yōu)淬火效果。 中頻淬火應(yīng)用非常廣泛，可對軸、齒輪、齒板等工程機(jī)楲耐磨零部件進(jìn)行處理，提高其使用可靠性。 因此，本文通過探討中頻感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對 30MnB5 鋼板的顯微組織 與 力 學(xué) 性 能 的 影 響 規(guī) 律 ， 為 實(shí) 際 生 產(chǎn) 制 定 30MnB5 鋼板中頻感應(yīng)淬火工藝提供參考。
1 試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)鋼板為某公司生產(chǎn)的冷軋正火態(tài) 30MnB5 鋼板，厚度為 15mm，經(jīng)賽默飛世爾火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分測定，結(jié)果見表 1。 對比歐洲標(biāo)準(zhǔn) BS EN10083-3-2006《淬火鋼和回火鋼 第 3 部分 合金鋼的交貨技術(shù)條件》，化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。
中頻感應(yīng)淬火工藝試樣通過線切割機(jī)制備，并采用磨床將表面進(jìn)行磨削處理。 中頻感應(yīng)處理試驗(yàn)專用設(shè)備采用 CJC-1000/1500 型立式數(shù)控淬火機(jī)床。中頻淬火工藝中主要的工藝參數(shù)為淬火溫度與保溫時間。 淬火溫度與淬火電源的電壓、 工件的移動速度有關(guān)，保溫時間與工件的移動速度有關(guān)。 因此，通過前期預(yù)試驗(yàn)，在 30MnB5 鋼奧氏體轉(zhuǎn)變溫度附近選取電源電壓參數(shù)分別為 440、460、480 和 500 V，對應(yīng)保溫時間選擇工件移動速度分別為 350、400、 450 和 500 mm/min。 工藝試驗(yàn)完成后， 依據(jù) GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》進(jìn)行性能檢測試樣制備。金相試樣經(jīng)研磨拋光并腐蝕后，采用 DMI5000M 型智能研究級倒置金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察與分析。 通過英斯特朗 600 kN 萬能試驗(yàn)機(jī)對工藝試樣進(jìn)行拉伸性能測定。采用 KB30S 全自動顯微維氏硬度試驗(yàn)機(jī)對工藝試樣進(jìn)行全厚度維氏硬度梯度檢測分析。
2 結(jié)果及分析
2.1 電源電壓對力學(xué)性能的影響
圖 1 為電源電壓對 30MnB5 鋼顯微硬度分布的影響。 從圖 1 中可看出， 在工件移動速率為 400 mm/min、不同電源電壓下 30MnB5 鋼板全厚度范圍內(nèi)顯微硬度的變化。 未經(jīng)感應(yīng)淬火處理的試樣整體硬度較低，且分布較為均勻。而經(jīng)感應(yīng)淬火處理的試樣在表面處均獲得了一定程度的淬硬效果， 但由于電源電壓的不同， 使得表面淬硬層深度有較大的不同。 當(dāng)電壓為 440V 時，試樣兩側(cè)表面硬度均得到了提升，但明顯未達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度所需的熱量，即淬火溫度不足，導(dǎo)致硬度提升幅度較小，加熱影響深度也較淺。 同樣， 當(dāng)電壓升高至 460V， 表面硬度相比 440V 有明顯提升， 但其加熱影響深度反而發(fā)生波動，說明在該電壓值范圍內(nèi)，材料組織性能處于臨界過渡變化狀態(tài)。 當(dāng)電壓再次提升至 480V，試樣兩側(cè)表面硬度大幅提升，出現(xiàn)深度較大的淬火硬化層。并且心部硬度同步得到提升的同時， 保留了部分的塑性變形能力。 當(dāng)電壓提升至 500V 時， 試樣整體淬透，且硬度分布較為均勻。
圖 2 為電源電壓對 30MnB5 鋼拉伸性能的影響。從圖 2 中可看出， 在工件移動速率為 400mm/min、不同電源電壓下 30MnB5 鋼板的室溫拉伸性能。 隨著電源電壓的升高， 試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均不斷提升。 與之相反，隨著電源電壓的升高，試樣的伸長率不斷降低，這表明材料強(qiáng)度提升的同時，材料的塑性在不斷損失。 將抗拉強(qiáng)度與伸長率相乘獲得的數(shù)值為強(qiáng)塑積， 可以較好的反映材料的綜合力學(xué)性能。 因而，材料在保證較高抗拉強(qiáng)度的同時，較少的損失塑性，即可獲得較大的強(qiáng)塑積。 當(dāng)電壓為 480 V 時，強(qiáng)塑積達(dá)到最大值，為 20755MPa·%，該工藝參數(shù)下的試樣具有最好的綜合力學(xué)性能。
2.2 移動速度對力學(xué)性能的影響
圖 3 為不同移動速度下 30MnB5 鋼板全厚度范圍內(nèi)顯微硬度的變化曲線。 從圖 3 中可看出，當(dāng)電源電壓為 480V 時， 未經(jīng)感應(yīng)淬火處理的試樣整體處于較低的硬度水平。 而經(jīng)感應(yīng)淬火處理的試樣在表面處均獲得了一定程度的淬硬效果， 但由于試樣移動速度的不同， 使得試樣表面接受感應(yīng)加熱與淬火的時間均發(fā)生變化， 使得最終獲得的淬硬層深度有較大的不同。 當(dāng)移動速度為 350mm/min 時，由于移動速度較慢， 試樣兩側(cè)表面接受感應(yīng)加熱與淬火均較為充分， 導(dǎo)致表面硬度及心部硬度均得到較大提升， 達(dá)到整體淬火的效果。 當(dāng)移動速度增加至 400mm/min，由于試樣移動速度增加，試樣兩側(cè)表面接受感應(yīng)加熱與淬火均較為充分， 而心部受熱不夠充分，導(dǎo)致表面硬度與心部硬度出現(xiàn)較大的不同，但整體硬度已經(jīng)處于較高的水平。 繼續(xù)增加移動速度至 450 mm/min，導(dǎo)致試樣表面受熱程度降低，心部受熱更加不充分，整體硬度大幅下降，只有表面較薄的 區(qū) 域 達(dá) 到 淬 硬 效 果 。 當(dāng) 移 動 速 度 降 低 至 500 mm/min 時，由于移動速度太快，試樣兩側(cè)表面接受感應(yīng)加熱與淬火均不夠充分， 導(dǎo)致表面硬度提升呈現(xiàn)較大的下降梯度，且硬度均處于較低的水平。
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圖 4 為不同移動速度下 30MnB5 鋼板的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)曲線。從圖 4 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著試樣移動速度的升高， 試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均不斷降低。 與之相反，隨著試樣移動速度的升高，試樣的伸長率不斷升高，這表明材料強(qiáng)度下降的同時，材料的塑性在不斷得到增強(qiáng)。 這是由于當(dāng)材料的淬硬效果減弱時，材料內(nèi)部的組織狀態(tài)發(fā)生了變化。當(dāng)淬硬組織為馬氏體時， 材料內(nèi)部抵抗位錯增殖和攀移的阻力較大，拉伸變形過程中，材料內(nèi)部較高的加工硬化水平使得應(yīng)力增加幅度較小， 表現(xiàn)出較高的抗變形能力。但當(dāng)材料發(fā)生屈服后，內(nèi)部高應(yīng)力水平加速得到釋放， 表現(xiàn)出較差的塑性。 當(dāng)移動速度為 400 mm/min 時，強(qiáng)塑積達(dá)到最大值 20755MPa·%，該工藝參數(shù)下的試樣具有最好的綜合力學(xué)性能。
2.3 感應(yīng)淬火工藝對顯微組織的影響
圖 5 為感應(yīng)淬火處理前后 30MnB5 鋼板顯微組織的變化情況。從圖 5 中可以看出，當(dāng)電源電壓為 480V 時， 未經(jīng)感應(yīng)淬火處理的試樣為典型的鐵素體+珠光體組織，鐵素體呈板條狀分布。 而經(jīng)感應(yīng)淬火處理(電壓 480V，移動速度 400 mm/min)后，顯微組織發(fā)生了顯著的變化， 淬硬組織區(qū)域內(nèi)為典型的馬氏體組織。馬氏體組織為碳溶于 α-Fe 的過飽和固溶體， 這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬得到強(qiáng)化的現(xiàn)象， 是一種固溶強(qiáng)化機(jī)制。 同時，馬氏體內(nèi)部包含有較多位錯，因此同時兼有位錯強(qiáng)化機(jī)制。 這也是淬硬組織力學(xué)性能顯著升高的原因(圖 2、4)。
3 結(jié)論
(1) 電源電壓對 30MnB5 感應(yīng)淬火處理后力學(xué)性能的影響較大。 隨著電壓增加，30MnB5 的顯微硬度、 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均得到大幅提升， 同時鋼板表面淬硬層深度也在明顯增加， 但材料塑性大幅下降。
(2) 工件移動速度對 30MnB5 感應(yīng)淬火處理后力學(xué)性能的影響顯著。 隨著移動速度增加，30MnB5 的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均大幅下降，同時鋼板表面淬硬層深度也在明顯減小， 但材料塑性得到較大提升。
(3) 30MnB5 感應(yīng)淬火處理后， 顯微組織由初始的鐵素體+珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。 根據(jù)最佳強(qiáng)塑積計(jì)算結(jié)果，30MnB5 感應(yīng)淬火處理最佳工藝參數(shù)為電源電壓 480V、移動速度 400mm/min。——論文作者：張 翔 1,2 , 耿彥波 1,2 , 陳 波 1,2 , 王 峰 1 , 徐 國 1
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