中頻感應淬火及回火對45Mn鋼組織和硬度影響

曹 培，張 青

(江蘇南鋼通恒特材科技有限公司，江蘇 南京 210000)

45Mn鋼具有較高的強度、硬度、耐磨性及良好的韌性，其淬透性較40Cr高，正火后可切削性良好，冷拔、滾絲、攻絲和鍛造、熱處理工藝性能較好，高溫下晶粒長大、氧化、脫碳傾向及淬火變形傾向均較小；但有回火脆性，回火穩定性比40Cr鋼稍差，一般在調質狀態下使用，用于制造受磨損的零件，如轉軸、心軸、曲軸、花鍵軸、連桿、萬向節軸、嚙合桿、齒輪、離合器盤、螺栓、螺母等[1-3]。王茜等[4]研究了熱處理工藝對45Mn2鋼球力學性能的影響，利用鍛造預熱淬火后得到板條馬氏體組織，隨著回火溫度的升高，抗拉強度降低，沖擊韌性增大。馬春來[5]對25Mn2鋼熱處理工藝進行優化，水淬金相組織為板條狀馬氏體，隨淬火溫度的升高，板條狀馬氏體逐漸粗大。鄔曉燕等[6]采用不同淬回火工藝處理無變形40Mn鋼帶，對比分析不同淬火溫度、加熱時間和淬火介質對轉變組織和性能的影響。牛翰卿等[7]對深松鏟材料ZG65Mn進行不同參數的熱處理，對比不同退火溫度和不同回火溫度下ZG65Mn的硬度和沖擊韌性，指出淬火后ZG65Mn組織為板條馬氏體和殘余奧氏體，組織不均勻，需要進行后續的回火處理使組織均勻，以降低內應力。不同碳含量錳鋼熱處理工藝均有研究，但相較于傳統熱處理方式，利用中頻感應對中規格45Mn鋼棒進行熱處理報道較少，且感應熱處理由于其高效、節能、環保、細化晶粒顯著、加熱均勻等特點被快速應用于工業生產中[8-16]。本文采用中頻感應淬火及回火對45Mn鋼棒進行熱處理，研究不同工藝條件下45Mn鋼棒的組織及硬度。

1 實驗材料與方法

實驗用45Mn鋼棒化學成分為(質量分數，%)：0.42～0.50 C，0.17～0.37 Si，0.7～1.0 Mn，≤0.035 S，≤0.035 P，≤0.25 Cr，≤0.25 Ni。鋼棒直徑為φ40 mm，中頻感應熱處理，淬火溫度為870 ℃，水淬；回火溫度為550 ℃，空冷。45Mn鋼棒金相組織為珠光體+塊狀鐵素體，如圖1所示。

圖1 原材料金相組織Fig.1 Metallographic structure of raw materials

使用線切割機截取鋼棒試樣，打磨、拋光后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕。采用Lab.A1蔡司金相顯微鏡進行金相組織觀察，采用HR150DT電動洛氏硬度進行硬度檢測。

2 結果與分析

2.1 金相組織

圖2為870 ℃中頻感應淬火后45Mn鋼的金相組織。由圖2(a)可以看出，45Mn鋼經過870 ℃中頻感應淬火后，從表面到心部組織出現明顯分層，界限清晰，位置1、位置2、位置3分別對應淬硬區、過渡區和心部熱影響區。淬硬區組織為針狀馬氏體，由于感應加熱效率高、升溫快，奧氏體晶粒來不及長大，淬火后形成的馬氏體組織細密均勻，見圖2(b)；過渡區組織為淬火馬氏體+屈氏體，見圖2(c)；心部熱影響區組織為屈氏體+珠光體，見圖2(d)。

導致組織出現分層差異的主要原因為采用中頻感應淬火時，在集膚效應的影響下，45Mn鋼表層溫度迅速達到奧氏體化溫度且奧氏體晶粒來不及長大，經淬火后迅速冷卻轉變為馬氏體組織，相較于傳統淬火工藝得到的馬氏體更加均勻細密。同時受于透入電流深度的影響，在其極限處升溫速度明顯小于表層，故過渡區加熱不如表層速度快、溫度高，且淬火時冷卻速度低于表層，因而形成淬火馬氏體+屈氏體混合組織。對于心部熱影響區，由于透入電流深度有限，其組織發生轉變所需熱量主要依靠表層向內部熱傳導，加熱溫度低、冷卻速度慢形成屈氏體+珠光體的混合組織。

(a)淬火試樣；(b)淬硬區；(c)過渡區；(d)熱影響區圖2 870 ℃中頻感應淬火后45Mn鋼的金相組織(a)quenched sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.2 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching at 870 ℃

圖3為中頻感應淬火、回火后45Mn鋼的金相組織。由圖3(a)可以看出，45Mn鋼經過870 ℃中頻感應淬火和550 ℃中頻感應回火后，從表面到心部組織分層界限趨于模糊，位置1、位置2、位置3分別對應淬硬區、過渡區和心部熱影響區。回火后淬硬區組織為回火索氏體，碳化物呈細針狀分布，組織均勻細密，見圖3(b)；過渡區由淬火馬氏體+屈氏體混合組織轉變為回火索氏體+珠光體混合組織，見圖3(c)；心部熱影響區組織為索氏體、珠光體以及沿晶界分布的網狀鐵素體，見圖3(d)。

(a)回火試樣；(b)淬硬區；(c)過渡區；(d)心部熱影響區圖3 中頻感應淬火、回火后45Mn鋼的金相組織(a)tempered sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.3 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching and tempering

2.2 硬度分析

圖4為45Mn鋼從表面到心部的硬度變化曲線。由圖4可知，870 ℃中頻感應淬火后，45Mn鋼從表面到心部淬火硬度呈現三段式下降，表層硬度變化較小，距表面2 mm處淬火硬度為58.5 HRC。硬度曲線變化符合淬火組織變化，淬硬區組織為針狀馬氏體，表現出高硬度；過渡區組織為淬火馬氏體、屈氏體，距離心部越近，馬氏體含量越少，硬度快速下降，幅度較大；心部熱影響區組織為屈氏體、珠光體，越靠近心部珠光體含量增多，硬度緩慢下降。

圖4 45Mn鋼硬度變化曲線Fig.4 Hardness change curve of 45Mn steel

中頻感應淬火、回火后，淬硬區硬度均勻，過渡區硬度下降較快，熱影響區硬度趨于平緩。

中頻感應淬火后，淬硬區寬度為8.7 mm，過渡區寬度為6.2 mm。550 ℃回火后，淬硬區與過渡區寬度均無明顯變化。

3 結論

1)45Mn鋼棒中頻感應淬火后，從表面到心部分為淬硬區、過渡區和熱影響區，淬硬區為細密均勻的針狀馬氏體組織，過渡區組織為淬火馬氏體+屈氏體，熱影響區組織為屈氏體+珠光體；

2)45Mn鋼棒中頻感應淬火、回火后，淬硬區組織為回火索氏體，碳化物呈細針狀分布，組織均勻細密；過渡區組織為回火索氏體+珠光體；心部熱影響區組織為索氏體、珠光體以及沿晶界分布的網狀鐵素體；

3)870 ℃淬火時淬硬區寬度為8.7 mm，過渡區寬度為6.2 mm；經550 ℃回火后淬硬區與過渡區寬度均無明顯變化。