刀板熱處理工藝對機械性能的影響

EFFECTOFBLADEHEATTREATMENTPROCESSONMECHANICALPROPERTIES

Sun Xiaoling

（Jinrun IntelligentManufacturing Plant，PlateDivision，Nanjing IronandSteelCo.，Ltd.Nanjing21oo35，China）

Abstract：Thisarticleanalyzes theimpactof heat treatmentontheperformanceof constructionmachinery blades.It describes the key heat treatment methods （annealing， normalizing，quenching，and tempering）and the impact of process parameters （temperature，holding time，and coling rate）on theresults.Experiments arethenconducted to investigate theefctsofheat treatmentonbladehardness，toughness，wearresistance，andmicrostructure.Finalybasedoncase studies，the performancerequirements ofblades indiferentapplicationscenariosarediscussed，andempirical insights and optimization recommendations for heat treatment applications are presented.

KeyWords：heat treatment process; blade; mechanical properties;hardness; toughness; wearresistance

0引言

隨著工程機械行業的快速發展，對刀板的要求也越來越高。刀板作為關鍵零部件之一，其機械性能直接影響到設備的工作效率和使用壽命。傳統的刀板材料往往由于硬度不夠或耐磨性不足，在使用過程中容易出現磨損嚴重、壽命短等問題。近年來，通過對刀板進行合理的熱處理，可以顯著改善其機械性能，從而提升設備的整體性能。本文將重點討論熱處理工藝對刀板機械性能的影響，并提出優化建議。

1熱處理工藝概述

1.1熱處理基本原理

熱處理是通過加熱和冷卻金屬材料來改變其內部組織結構，從而改變其性能的一種工藝。熱處理的基本原理在于利用金屬的相變規律，通過控制加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等參數，使金屬材料內部的微觀組織發生變化，進而改善其力學性能。

1.2主要熱處理工藝介紹

熱處理是通過改變金屬內部結構來調整其物理和機械性能的技術手段，主要包括4種

退火：將金屬加熱到一定溫度后緩慢冷卻，目的是降低硬度、提高塑性，消除加工引入的內應力，改善切削加工性能。常見方法有完全退火、球化退火和去應力退火。

正火：將金屬加熱至臨界溫度以上后在空氣中冷卻，使晶粒細化、組織均勻，提升硬度、強度和韌性，同時保持良好的加工性和焊接性，常用于低碳鋼和合金鋼。

淬火：加熱至奧氏體化溫度后迅速冷卻（如水、油或鹽水），形成馬氏體組織，提高硬度和耐磨性，但容易增加脆性，通常需配合回火使用。

回火：對淬火后的金屬加熱到低于奧氏體化溫度并緩慢冷卻，消除內應力、降低脆性、提高韌性，可通過調節溫度控制硬度和韌性的平衡。

1.3工藝參數對熱處理效果的影響

熱處理工藝的成功與否在很大程度上取決于一系列精細控制的工藝參數，其中包括但不限于溫度、保溫時間、冷卻速度等。

1）溫度。

退火溫度：一般情況下，退火溫度需要高于材料的再結晶溫度，但又不能太高以至于引起晶粒的過分長大。對于低碳鋼而言，退火溫度通常在600°C 到 700^°C 之間，而對于一些合金鋼，退火溫度可能會高達 800°C 甚至更高。

正火溫度：正火通常需要將材料加熱至AC3（鐵素體和奧氏體轉變點）以上的某個溫度，例如對于低碳鋼來說，大約在 850～900^°C 之間，這樣可以促進晶粒的細化，改善組織的均勻性。

淬火溫度：淬火溫度應確保材料完全奧氏體化，一般為AC3或 ACm 以上約 30～50^°C ，具體溫度因材料成分而異，但通常在 800～950^°C 之間。

回火溫度：回火溫度的選擇非常關鍵，因為它直接影響到材料的硬度和韌性。對于低硬度要求的材料，回火溫度可能在 150～300^°C 之間；而需要保持較高硬度的材料，則可能選擇較低的回火溫度，如 150～250^°C 。

2）保溫時間。

保溫時間是確保材料達到均勻加熱狀態的必要條件。一般而言，保溫時間的長短取決于材料的尺寸和導熱系數。例如，對于退火來說，保溫時間可能從幾小時到十幾個小時不等，以確保整個工件都能達到所需的溫度。

在淬火處理中，保溫時間相對較短，主要是為了確保整個截面都能轉變為奧氏體。通常情況下，保溫時間為幾分鐘至十幾分鐘。

回火的保溫時間也相對短一些，一般在半小時到兩小時之間，以確保材料能夠均勻地吸收熱量，完成必要的相變。

3）冷卻速度。

淬火的冷卻速度對最終的硬度有著決定性的影響。對于低碳鋼，使用水作為冷卻介質可以達到較快的冷卻速度，但對于容易開裂的合金鋼，則常常使用油或者空氣作為冷卻介質，以減緩冷卻速度。

回火的冷卻速度一般較慢，通常是在空氣中冷卻，或者在某些情況下，也可以在油中冷卻。較慢的冷卻速度有助于消除淬火過程中形成的殘余應力，并改善材料的韌性。

2熱處理工藝對刀板機械性能的影響

2.1硬度變化的研究

硬度是衡量材料抵抗局部塑性變形能力的一個重要指標。在刀板制造過程中，硬度直接影響其耐磨性和使用壽命。通過淬火和回火工藝，可以顯著提高刀板的硬度。硬度變化研究試驗步驟及其結果記錄：

1）試驗步驟。

樣品準備：選取標準尺寸的刀板試樣若干個，確保所有試樣的材質、厚度和初始狀態一致；使用標準方法對試樣進行表面清理，去除油污和其他雜質，確保試驗的一致性。

熱處理前的硬度測試：使用洛氏硬度計（RockwellHardnessTester，RHT）測量原始狀態下刀板的硬度值；記錄每個試樣的初始硬度值作為對照組數據。

淬火處理：將刀板試樣加熱至預定的淬火溫度（例如，對于某種特定的合金鋼，淬火溫度可能設定為 850～900^°C 之間）；保持試樣在該溫度下保溫一段時間（如 30min ），以確保整個截面都達到所需的溫度；迅速將試樣移入冷卻介質中（如水或油），以實現快速冷卻，形成馬氏體組織。

回火處理：將淬火后的試樣加熱至預定的回火溫度（例如，對于需要保持較高硬度的材料，回火溫度可能設定為 150～250^°C 之間）；在該溫度下保溫一段時間（如 ^1h ），以確保材料內部應力得以釋放；自然冷卻至室溫。

熱處理后的硬度測試：再次使用洛氏硬度計測量經過淬火和回火處理后的刀板硬度值；記錄每個試樣的最終硬度值并與初始硬度值進行對比。

數據分析：比較淬火和回火前后硬度值的變化情況；分析淬火和回火參數對硬度的影響，并確定最佳熱處理參數組合。

2）試驗結果。

結果顯示，經過適當熱處理的刀板硬度可以提高到HRC55以上，相比于未經處理的材料硬度（通常在HRC35左右），提高了約20HRC。這種硬度的提升主要是由于淬火過程中形成了硬度較高的馬氏體組織，而適當的回火處理則可以在保持較高硬度的同時，減少材料的脆性。

2.2韌性變化的研究

韌性指材料在外力作用下吸收能量并產生塑性變形而不破裂的能力。淬火雖能顯著提高硬度，但會增加脆性，使材料易在沖擊載荷下斷裂。通過回火可恢復部分韌性。為研究回火對刀板韌性的影響，進行試驗。

1）選取標準尺寸的刀板試樣若干個，確保所有試樣的材質、厚度和初始狀態一致；清理試樣表面，去除油污和其他雜質，確保試驗的一致性。2）將刀板試樣加熱至預定的淬火溫度（例如880^°C ），保溫 45min 后，迅速將其浸入水中進行淬火。3）將淬火后的試樣加熱至預定的回火溫度（例如 200^°C ），保溫 2h 后，在空氣中自然冷卻至室溫4）使用標準夏比沖擊試驗機（CharpyImpactTestingMachine）進行沖擊韌性測試；按照ASTME23標準，分別測試淬火后未經回火處理和經過回火處理的試樣；記錄每個試樣的沖擊吸收能量（Ak）。

試驗結果顯示，經過適當的回火處理后，刀板的沖擊韌性（Ak）達到了 20J/cm² 以上，遠高于未經熱處理的材料（通常低于 10J/cm² ）。通過回火處理，材料內部的殘余應力得以釋放，同時馬氏體組織的脆性得到緩解，從而顯著增強了刀板的抗沖擊性能。

2.3耐磨性及其他相關性能的變化

耐磨性是刀板在使用過程中非常重要的性能指標。耐磨性好的刀板能夠在高負荷、高摩擦條件下保持較長的使用壽命。經過熱處理后，刀板表面形成的馬氏體組織具有較高的硬度和耐磨性。試驗顯示，在相同的磨損條件下，經過熱處理的刀板磨損率降低約 30% ，這意味著其使用壽命至少提高50% 。除了耐磨性外，熱處理還可以改善刀板的抗疲旁性能和耐腐蝕性能，從而進一步延長其使用壽命。

2.4微觀結構的變化

熱處理對刀板微觀結構的影響也非常顯著。通過金相分析可以觀察到，熱處理后的刀板晶粒細化，組織均勻，馬氏體分布更加均勻。這些微觀結構的變化都有利于提高刀板的綜合機械性能。細化的晶粒可以提高材料的強度和韌性，均勻的組織則保證了材料在各個方向上的性能一致性。馬氏體的均勻分布使得材料在承受載荷時能夠更加均勻地分散應力，減少應力集中，從而降低斷裂的可能性。

3結束語

熱處理工藝對刀板機械性能的影響至關重要通過合理選擇和優化熱處理工藝，可以顯著提高刀板的硬度、韌性、耐磨性及其他相關性能，從而延長其使用壽命，提高設備的整體性能。未來的研究方向應集中在開發更先進的熱處理技術和工藝參數優化上，以進一步提升刀板的綜合性能。

參考文獻

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