論淬透性在底盤(pán)零件選材上的應(yīng)用

孫葉，范廣祿，畢永全

山推工程機(jī)械股份有限公司 山東濟(jì)寧 272073

1 序言

工程機(jī)械是我國(guó)裝備工業(yè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通、能源、水利、建筑、道路和城市建設(shè)等領(lǐng)域。底盤(pán)零件是工程機(jī)械的“腳”，重量及制造成本占到了工程機(jī)械的四分之一，其制造質(zhì)量直接決定了工程機(jī)械的工作和行走性能。鑒于其需要擔(dān)負(fù)的功能及惡劣的施工環(huán)境，底盤(pán)零件除需要具有較高的耐磨性以外，還要求其心部具有較好的韌性，可以承受一定的沖擊。這就確定了底盤(pán)零件的熱處理要求：有一定的硬化層，以具有較高耐磨性；心部較軟，以保持一定的韌性。一般情況下，材料的硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。材料的含碳量，決定了材料的淬硬性，即材料處理后所能達(dá)到的最高硬度。淬透性[1，2]決定了材料熱處理后硬化層的深淺，從而在一定程度上決定了工件的使用壽命。

為了滿足礦山市場(chǎng)的需要，工程機(jī)械逐漸向重型化方向發(fā)展，底盤(pán)零件也隨之向更大節(jié)距、更大尺寸發(fā)展，這就對(duì)原材料提出了更高的要求。如何選擇原材料以保證產(chǎn)品的綜合性能，成為當(dāng)務(wù)之急。

本文選取了3種25CrMnB系列材料，C含量相當(dāng)，Cr、Mn含量不同，通過(guò)化學(xué)成分測(cè)試、末端淬火試驗(yàn)對(duì)其DI值、淬透性曲線進(jìn)行了研究，并加工成相同外形尺寸的履帶板（厚25mm），如圖1所示。熱處理后對(duì)其硬度及強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而分析淬透性曲線對(duì)工件性能的影響，并為工件選材提供指導(dǎo)。

圖1 履帶板示意

2 試驗(yàn)方案

通過(guò)DBLF光譜儀對(duì)3種材料進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，并計(jì)算出DI值，見(jiàn)表1（僅給出3種主要元素的含量對(duì)比）。然后，按照GB/T 225—2006鋼淬透性的末端淬火試驗(yàn)方法進(jìn)行端淬試驗(yàn)，用HR-45A表面洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試（從距離試樣端部1.5mm處開(kāi)始，每3mm測(cè)試一次）。后續(xù)將3種材料分別加工為履帶板，熱處理后用HR-45A表面洛氏硬度計(jì)進(jìn)行表面和心部硬度測(cè)量，用WE-30液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。

表1 3種材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 結(jié)果分析與討論

（1）淬透性曲線 通過(guò)端淬試驗(yàn)，得出淬透性曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，3種材料碳含量相近，淬硬性相當(dāng)，因此可以達(dá)到的最高硬度相近。其區(qū)別在于半馬氏體（45HRC）出現(xiàn)的位置，材料C在距離端淬頭部10mm處，材料B在15mm處，材料A在20mm處。在距離端淬試樣頭部25mm處，材料A仍能到達(dá)43HRC，而材料B、C已降至35HRC以下。

圖2 淬透性曲線

以25CrMnB鋼為例，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于淬透性的要求，靠3點(diǎn)來(lái)衡量，見(jiàn)表2。以表2可以看出，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)J1.5點(diǎn)要求較嚴(yán)格，即更為關(guān)注淬硬性，而對(duì)J13和J25要求較為寬泛。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，A、B、C3種材料在前2點(diǎn)（均滿足J1.5、J13的要求）的表現(xiàn)差異不大，而實(shí)際淬透性曲線相差較多。針對(duì)尺寸較小的工件，3種材料熱處理后可以達(dá)到的硬度均勻性并無(wú)大的區(qū)別，而針對(duì)尺寸較大的工件，材料A的優(yōu)勢(shì)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，表面和心部硬度更為均勻，更為耐磨，使用壽命更長(zhǎng)。換言之，如果僅根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的淬透性要求來(lái)了解、選擇材料，特別是大尺寸工件的材料，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

表2 25CrMnB鋼淬透性要求 （HRC）

（2）表面及心部硬度 如圖3所示，熱處理后，3種材料的表面硬度幾乎一致（淬硬性一致），但是心部硬度變化較大。如果應(yīng)用在小尺寸的工件上，3種材料差異不大，如果應(yīng)用在較大尺寸工件上，材料C可獲得的心部硬度較低，整體硬度均勻性較差，心部硬度變化趨勢(shì)與淬透性曲線趨勢(shì)一致。通過(guò)本組試驗(yàn)看出，淬透性曲線可以應(yīng)用于工件表面硬度及心部硬度的預(yù)測(cè)。

圖3 表面硬度及心部硬度

（3）強(qiáng)度 如圖4所示，熱處理后，材料A強(qiáng)度最高，材料B與C強(qiáng)度相當(dāng)，強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與淬透性、硬度基本吻合。

圖4 力學(xué)性能

4 結(jié)束語(yǔ)

1）國(guó)標(biāo)中對(duì)于淬透性的闡述是通過(guò)3點(diǎn)來(lái)描述的，那么，這幾點(diǎn)代表了什么意義？一般情況下，第1點(diǎn)確定材料熱處理后可達(dá)到的最高硬度，即淬硬性；第2點(diǎn)確定半馬氏體的出現(xiàn)，即淬透性曲線的拐點(diǎn)；第3點(diǎn)幫助確定淬透性曲線的走向。

2）正常情況下，淬透性末端淬火試驗(yàn)，適用于材料的淬透性檢驗(yàn)，由于其選點(diǎn)較少，且多關(guān)注硬度的最高值，不適用于選材，尤其是大尺寸工件的選材。

3）淬透性曲線中，淬硬性可用于預(yù)測(cè)表面硬度，曲線變化趨勢(shì)可用于預(yù)測(cè)心部硬度，特別是較大尺寸工件的心部硬度，可以幫助技術(shù)人員更好地了解不同材料硬度及強(qiáng)度的差異，因此可以更好地用作選材分析，為生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。