感應加熱工藝參數對45鋼淬火組織的影響

上海應用技術學院材料科學與工程學院 （201418） 張紅英

上海柴油機股份有限公司 （200438） 黃法平

感應加熱廣泛用于齒輪、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淬火，設計載荷下的疲勞循環次數比用調質處理約提高10倍。感應淬火的工件材料一般為中碳鋼，淬火冷卻介質常用水或高分子聚合物水溶液。

感應淬火的主要優點是：加熱速度快，工件表面沒有脫碳，也不會有嚴重的氧化現象；變形量較小；淬硬層馬氏體組織較細，硬度、強度、韌性都較高；表面淬火后工件表層有較大壓應力，工件抗疲勞破壞能力較高等。美國到20世紀末，感應熱處理工件量占整個熱處理零件量的35%。

本文研究45鋼感應淬火組織與相關工藝參數之間的關系，為制訂合理的感應淬火工藝，控制產品的組織性能，提高產品質量提供實踐依據。

1.試驗方法

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

在感應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 試樣感應加熱的工藝參數

2.試驗結果與分析

由圖1可見，試樣原始組織為鐵素體+珠光體，鐵素體呈網狀。

圖1 試樣原始組織

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

圖2 試樣感應淬火后的截面組織（70kW、8.5mm/s）

圖3 是在400倍觀察的不同工藝參數下試樣表層馬氏體組織的形態。由圖3可見，試樣經40kW表面感應淬火后，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，冷卻時形成托氏體。而70kW表面感應加熱，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。同時可見70kW表面感應淬火后，馬氏體晶粒明顯比40kW的粗大；工件相對移動速度為6.5mm/s時的表層馬氏體組織比11mm/s時的粗大。說明功率增加，工件相對移動速度減少，高溫奧氏體晶粒粗化。

圖3 試樣感應淬火后的表層馬氏體組織

工件表面淬火后表面殘留應力為壓應力，這種內應力大小及分布與淬硬層深度有關，同時還與沿淬火層深度的硬度分布有關，即與表面馬氏體層的深度、過渡區的寬度以及工件截面尺寸等有關。

宏觀測定表面淬火淬硬層深度是依據淬硬區與未淬硬區的顏色差別來測定的。首先將試樣橫截面進行金相制樣，用硝酸酒精腐蝕，根據淬硬區與未淬硬區的顏色差別（見圖4）來確定。各試樣宏觀測定的淬硬層深度值見表2。

圖4 試樣金相制樣

金相法測定表面淬火淬硬層深度一般從表面計至半馬氏體（50%M）區。不同工藝參數感應淬火試樣截面的表層馬氏體組織厚度、過渡層組織厚度以及表層馬氏體組織厚度與過渡層組織厚度的1/2之和的數值見表2。

表2 試樣淬硬層深度

由表2可見，其他條件一定時，隨功率增加，試樣表層馬氏體層、過渡層的厚度增加；隨工件相對移動速度增加表層馬氏體層、過渡層的厚度不斷減少。金相法測定的表層馬氏體厚度與過渡層厚度的1/2之和與宏觀法測定的淬硬層深度數值相當。有資料介紹，對高頻淬火而言，中小尺寸零件的淬硬層深度為工件半徑的10%～20%，而過渡區的寬度為淬硬層深度的25%～30%較為合適。依據此結論，結合表層馬氏體組織特點可知，此試樣在試驗范圍內較合適的感應加熱工藝參數為70kW、8.5～11mm/s。

3.結語

（1）正火態45鋼試樣經表面感應淬火后，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?。⒅行闹楣怏w+鐵素體原始組織。

（2）45鋼經40kW感應加熱時，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托氏體組織。

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

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

（20130726）