淬火介質(zhì)對(duì)高強(qiáng)度螺栓用45鋼組織與性能的影響

王文達(dá)　楊冬梅

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

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)度螺栓；45鋼；組織；性能

0 引言

高強(qiáng)度螺栓具有易于拆換、施工簡(jiǎn)便、承載能力強(qiáng)、耐疲勞和安全性好的優(yōu)點(diǎn)，是繼鉚接和焊接之后迅速發(fā)展起來(lái)的一種鋼結(jié)構(gòu)連接類型[1-2]。45鋼是含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，且價(jià)格低、來(lái)源廣，是生產(chǎn)中最常見(jiàn)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(yīng)用。然而45鋼淬透性較低，水淬時(shí)有開裂傾向，因此改善和提高45鋼的性能，對(duì)提高高強(qiáng)度螺栓質(zhì)量和安全穩(wěn)定性有重要的意義[3-5]。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本課題采用的高強(qiáng)度螺栓用45鋼的基本化學(xué)成分如表1所示。規(guī)格為Φ70mm×60mm。

將未經(jīng)處理的45鋼加熱升溫到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度840℃以上，待完全奧氏體化，保溫一段時(shí)間后分別迅速放入水、機(jī)油、鹽水及PVA合成淬火劑中進(jìn)行淬火冷卻[6]。根據(jù)已設(shè)計(jì)好的熱處理工藝，本次試驗(yàn)將試樣分成5組，分別編號(hào)0#、1#、2#、3#、4#，每組試樣各3個(gè)，以便取得平均數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確。其中0#試樣為原始試樣，在試驗(yàn)中與其它試樣做對(duì)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(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)不同處理態(tài)試樣分別進(jìn)行洛氏硬度、顯微硬度和壓縮強(qiáng)度測(cè)試。將不同淬火介質(zhì)下淬火的試樣，經(jīng)預(yù)磨、粗磨、細(xì)磨、拋光和腐蝕后在光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS-BX51）和掃描電鏡（SHIMADZU-SSX550）下進(jìn)行拍照觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 淬火介質(zhì)對(duì)45鋼性能的影響

五組試樣的硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖可見(jiàn)，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(shí)，可以得到馬氏體組織；而淬火介質(zhì)采用機(jī)油或PVA合成淬火劑時(shí)，無(wú)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(wěn)定區(qū)隨液溫升高冷速急劇下降，而在300～200℃馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域仍保持著較高的冷卻速度，因而試樣水冷后容易產(chǎn)生較大的變形甚至開裂，以及產(chǎn)生硬度不均等現(xiàn)象。而鹽水冷在650～550℃范圍內(nèi)有更快的冷卻速度，這對(duì)保證鋼的淬硬來(lái)說(shuō)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(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)。

五組45鋼壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)1#、3#較其它三組試樣相比，屈服強(qiáng)度較高。馬氏體較珠光體有很好的強(qiáng)度，如果45鋼中馬氏體含量較多，能大幅度提高45鋼的機(jī)械性能。3#與1#相比，強(qiáng)度更高，這說(shuō)明鹽水冷比水冷更利于提高45鋼的屈服強(qiáng)度。根據(jù)TTT曲線圖可知，650～550℃之間應(yīng)當(dāng)進(jìn)行快速冷卻，以盡量通過(guò)過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域，避免發(fā)生珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變。而油冷和PVA冷在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域冷卻速度緩慢，從而發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，使45鋼的機(jī)械性能下降。因此，油冷得到的2#和PVA冷卻所得到的4#強(qiáng)度都很低，只比0#原樣略高。

沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由于油冷和PVA冷在過(guò)冷奧氏體最不穩(wěn)定的區(qū)域冷卻速度緩慢，發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變，所以2#和4#的較高，即韌性較好，與0#原樣相當(dāng)。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(zhì)對(duì)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(qiáng)度低，塑性、韌性好。未經(jīng)處理的45鋼硬度、強(qiáng)度一般，但塑性、韌性很好。

4 結(jié)論

（1）用水淬火的45鋼，硬度、強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jīng)鹽水冷卻的45鋼不僅具有高強(qiáng)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(qiáng)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(zhì)，經(jīng)鹽水淬火后的45鋼，洛氏硬度達(dá)到58.22，屈服強(qiáng)度達(dá)到1608MPa。鹽水的淬冷能力比水強(qiáng)，且配制容易，適合高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)過(guò)程中使用。

【參考文獻(xiàn)】

[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(wàn)恩同，張友登.45#鋼螺栓表面線狀缺陷分析[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（02）：29-31.

[3]董世柱，徐維良.結(jié)構(gòu)鋼及其熱處理[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009，3.

[4]楊淑范，陳守介.淬火介質(zhì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1990，8.

[5]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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

[責(zé)任編輯：朱麗娜]