淬火介質對高強度螺栓用45鋼組織與性能的影響

王文達　楊冬梅

【摘 要】本論文以高強度螺栓用45鋼為研究對象，采用洛氏硬度測試、顯微硬度測試、壓縮強度測試、沖擊韌性測試、光學顯微鏡及掃描電鏡等檢測手段，研究了淬火介質對45鋼組織與性能的影響，從而確定最佳的淬火介質。

【關鍵詞】高強度螺栓；45鋼；組織；性能

0 引言

高強度螺栓具有易于拆換、施工簡便、承載能力強、耐疲勞和安全性好的優點，是繼鉚接和焊接之后迅速發展起來的一種鋼結構連接類型[1-2]。45鋼是含碳量為0.45%的優質碳素結構鋼，冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，是生產中最常見的材料之一，在齒輪、連接桿、蝸桿、葉輪、泵、活塞、曲軸等零件制造中被廣泛應用。然而45鋼淬透性較低，水淬時有開裂傾向，因此改善和提高45鋼的性能，對提高高強度螺栓質量和安全穩定性有重要的意義[3-5]。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本課題采用的高強度螺栓用45鋼的基本化學成分如表1所示。規格為Φ70mm×60mm。

將未經處理的45鋼加熱升溫到奧氏體轉變溫度840℃以上，待完全奧氏體化，保溫一段時間后分別迅速放入水、機油、鹽水及PVA合成淬火劑中進行淬火冷卻[6]。根據已設計好的熱處理工藝，本次試驗將試樣分成5組，分別編號0#、1#、2#、3#、4#，每組試樣各3個，以便取得平均數據，使實驗更準確。其中0#試樣為原始試樣，在試驗中與其它試樣做對比，1#試樣為水冷試樣、2#試樣為油冷試樣、3#試樣為鹽水冷試樣、4#試樣為PVA冷試樣。

2.2 實驗方法

針對不同處理態試樣分別進行洛氏硬度、顯微硬度和壓縮強度測試。將不同淬火介質下淬火的試樣，經預磨、粗磨、細磨、拋光和腐蝕后在光學顯微鏡（OLYMPUS-BX51）和掃描電鏡（SHIMADZU-SSX550）下進行拍照觀察。

3 實驗結果與分析

3.1 淬火介質對45鋼性能的影響

五組試樣的硬度試驗結果如圖1和圖2所示。由圖可見，1#、3#試樣的硬度明顯較高，而2#、4#試樣的硬度較低。這是由于45鋼水冷或鹽水冷時，可以得到馬氏體組織；而淬火介質采用機油或PVA合成淬火劑時，無法得到馬氏體組織，所以硬度較低。由于水冷在650～550℃奧氏體不穩定區隨液溫升高冷速急劇下降，而在300～200℃馬氏體轉變區域仍保持著較高的冷卻速度，因而試樣水冷后容易產生較大的變形甚至開裂，以及產生硬度不均等現象。而鹽水冷在650～550℃范圍內有更快的冷卻速度，這對保證鋼的淬硬來說是非常有利的。因此，用鹽水淬火的鋼，容易得到高的硬度，不易產生淬不硬的軟點。

五組45鋼壓縮實驗結果如圖3所示，可見1#、3#較其它三組試樣相比，屈服強度較高。馬氏體較珠光體有很好的強度，如果45鋼中馬氏體含量較多，能大幅度提高45鋼的機械性能。3#與1#相比，強度更高，這說明鹽水冷比水冷更利于提高45鋼的屈服強度。根據TTT曲線圖可知，650～550℃之間應當進行快速冷卻，以盡量通過過冷奧氏體最不穩定的區域，避免發生珠光體或貝氏體轉變。而油冷和PVA冷在過冷奧氏體最不穩定的區域冷卻速度緩慢，從而發生珠光體轉變，使45鋼的機械性能下降。因此，油冷得到的2#和PVA冷卻所得到的4#強度都很低，只比0#原樣略高。

沖擊韌性試驗結果如圖4所示，由于油冷和PVA冷在過冷奧氏體最不穩定的區域冷卻速度緩慢，發生了珠光體轉變，所以2#和4#的較高，即韌性較好，與0#原樣相當。鹽水冷卻的3#試樣韌性較水冷的1#試樣有所改善。

3.2 淬火介質對45鋼組織的影響

0#原樣的組織為珠光體+鐵素體，如圖5所示。其中，黑色片狀組織為珠光體，分布在其周圍的白色塊狀組織即為鐵素體。理論上，珠光體的洛氏硬度不大于20，鐵素體的硬度和強度低，塑性、韌性好。未經處理的45鋼硬度、強度一般，但塑性、韌性很好。

4 結論

（1）用水淬火的45鋼，硬度、強度提高顯著，塑性和韌性有所降低。組織為混合的板條狀馬氏體和片狀馬氏體。

（2）用油淬火的45鋼，硬度、強度稍有提高，塑性和韌性略有降低。組織為珠光體和鐵素體。

（3）用鹽水淬火的45鋼，硬度、強度大幅提高，塑性和韌性有所降低。組織為混合的板條狀馬氏體和片狀馬氏體。其中，板條狀馬氏體比水淬得到的多。所以經鹽水冷卻的45鋼不僅具有高強度和高硬度，而且塑性和韌性也較水冷的45鋼有所改善。

（4）用PVA合成淬火劑淬火的45鋼，硬度和強度提高不多，塑性和韌性略有降低。組織為珠光體和鐵素體。

綜上所述，鹽水是最佳的淬火介質，經鹽水淬火后的45鋼，洛氏硬度達到58.22，屈服強度達到1608MPa。鹽水的淬冷能力比水強，且配制容易，適合高強度螺栓生產過程中使用。

【參考文獻】

[1]周海波，朱曉勇，鄭玉春，汪冬梅.45鋼螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2009（12）：107-109.

[2]楊志婷，朱玉秀，萬恩同，張友登.45#鋼螺栓表面線狀缺陷分析[J].武漢工程職業技術學院學報，2009（02）：29-31.

[3]董世柱，徐維良.結構鋼及其熱處理[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2009，3.

[4]楊淑范，陳守介.淬火介質[M].機械工業出版社，1990，8.

[5]崔忠圻.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2000.

[6]張克儉.淬火冷卻技術及其應用技術漫談[J].熱處理2004，29（3）：52-58.

[責任編輯：朱麗娜]