發布時間：2022-04-24所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：采用顯微硬度測試、室溫拉伸試驗與顯微組織觀察分析，研究了中頻感應淬火工藝參數對 30MnB5 鋼板顯微組織與力學性能的影響。結果表明：電源電壓與工件移動速度對 30MnB5 感應淬火工藝處理后的力學性能影響顯著。隨著電壓的升高與移動速度的降低，材料強度與硬度
摘 要：采用顯微硬度測試、室溫拉伸試驗與顯微組織觀察分析，研究了中頻感應淬火工藝參數對 30MnB5 鋼板顯微組織與力學性能的影響。結果表明：電源電壓與工件移動速度對 30MnB5 感應淬火工藝處理后的力學性能影響顯著。隨著電壓的升高與移動速度的降低，材料強度與硬度均得到明顯提升，但塑性下降較快。 經感應淬火處理后，30MnB5 顯微組織由初始的鐵素體+珠光體組織轉變為馬氏體組織。 根據強塑積計算結果，30MnB5 最佳感應淬火工藝參數為電源電壓 480 V，移動速度 400 mm/min。 該工藝參數下，強塑積達最大(20755 MPa·%)，綜合力學性能最佳。
關鍵詞：30MnB5 鋼;感應淬火;力學性能;顯微組織;強塑積
30MnB5 作為熱沖壓成形鋼[1-2]，是一種適用于熱成形工藝生產的高強度鋼板，具有較好的加工性能與良好的焊接性能。由于 B 元素的添加，30MnB5 鋼板的淬透性更好，經過調質處理后其硬度顯著提升，常被用作耐磨件、刀具、齒板等零件。 30MnB5 鋼板作為耐磨件使用時[3-4]，通常需要進行淬火工藝改善其使用硬度，達到較好的抗磨損服役性能。通常采用整體淬火工藝，可以使 30MnB5 鋼板力學性能得到顯著提升，尤其是強度與硬度提升十分明顯，但同時需要以損失較大的塑性為代價[5] 。 另一方面，整體淬火工藝能耗高，對環境污染大，造成生產成本較高。 耐磨件通常是表面層需要有較高的硬度與較好的耐磨性，同時在使用過程中由于會遭受一定程度的沖擊，因而需要一定的抗沖擊韌性。 中頻感應加熱具有加熱速度快，變形小;材料心部高韌性，表面高硬度;效率高，能耗低，便于實現機械化和自動化等優點[6-8]。加熱過程可以通過控制加熱溫度、冷卻速度、工件移動速度等參數達到最優淬火效果。 中頻淬火應用非常廣泛，可對軸、齒輪、齒板等工程機楲耐磨零部件進行處理，提高其使用可靠性。 因此，本文通過探討中頻感應淬火工藝參數對 30MnB5 鋼板的顯微組織 與 力 學 性 能 的 影 響 規 律 ， 為 實 際 生 產 制 定 30MnB5 鋼板中頻感應淬火工藝提供參考。
1 試驗材料與方法
試驗鋼板為某公司生產的冷軋正火態 30MnB5 鋼板，厚度為 15mm，經賽默飛世爾火花直讀光譜儀進行化學成分測定，結果見表 1。 對比歐洲標準 BS EN10083-3-2006《淬火鋼和回火鋼 第 3 部分 合金鋼的交貨技術條件》，化學成分均滿足標準規定要求。
中頻感應淬火工藝試樣通過線切割機制備，并采用磨床將表面進行磨削處理。 中頻感應處理試驗專用設備采用 CJC-1000/1500 型立式數控淬火機床。中頻淬火工藝中主要的工藝參數為淬火溫度與保溫時間。 淬火溫度與淬火電源的電壓、 工件的移動速度有關，保溫時間與工件的移動速度有關。 因此，通過前期預試驗，在 30MnB5 鋼奧氏體轉變溫度附近選取電源電壓參數分別為 440、460、480 和 500 V，對應保溫時間選擇工件移動速度分別為 350、400、 450 和 500 mm/min。 工藝試驗完成后， 依據 GB/T 2975-2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》進行性能檢測試樣制備。金相試樣經研磨拋光并腐蝕后，采用 DMI5000M 型智能研究級倒置金相顯微鏡進行組織觀察與分析。 通過英斯特朗 600 kN 萬能試驗機對工藝試樣進行拉伸性能測定。采用 KB30S 全自動顯微維氏硬度試驗機對工藝試樣進行全厚度維氏硬度梯度檢測分析。
2 結果及分析
2.1 電源電壓對力學性能的影響
圖 1 為電源電壓對 30MnB5 鋼顯微硬度分布的影響。 從圖 1 中可看出， 在工件移動速率為 400 mm/min、不同電源電壓下 30MnB5 鋼板全厚度范圍內顯微硬度的變化。 未經感應淬火處理的試樣整體硬度較低，且分布較為均勻。而經感應淬火處理的試樣在表面處均獲得了一定程度的淬硬效果， 但由于電源電壓的不同， 使得表面淬硬層深度有較大的不同。 當電壓為 440V 時，試樣兩側表面硬度均得到了提升，但明顯未達到奧氏體轉變溫度所需的熱量，即淬火溫度不足，導致硬度提升幅度較小，加熱影響深度也較淺。 同樣， 當電壓升高至 460V， 表面硬度相比 440V 有明顯提升， 但其加熱影響深度反而發生波動，說明在該電壓值范圍內，材料組織性能處于臨界過渡變化狀態。 當電壓再次提升至 480V，試樣兩側表面硬度大幅提升，出現深度較大的淬火硬化層。并且心部硬度同步得到提升的同時， 保留了部分的塑性變形能力。 當電壓提升至 500V 時， 試樣整體淬透，且硬度分布較為均勻。
圖 2 為電源電壓對 30MnB5 鋼拉伸性能的影響。從圖 2 中可看出， 在工件移動速率為 400mm/min、不同電源電壓下 30MnB5 鋼板的室溫拉伸性能。 隨著電源電壓的升高， 試樣的抗拉強度與屈服強度均不斷提升。 與之相反，隨著電源電壓的升高，試樣的伸長率不斷降低，這表明材料強度提升的同時，材料的塑性在不斷損失。 將抗拉強度與伸長率相乘獲得的數值為強塑積， 可以較好的反映材料的綜合力學性能。 因而，材料在保證較高抗拉強度的同時，較少的損失塑性，即可獲得較大的強塑積。 當電壓為 480 V 時，強塑積達到最大值，為 20755MPa·%，該工藝參數下的試樣具有最好的綜合力學性能。
2.2 移動速度對力學性能的影響
圖 3 為不同移動速度下 30MnB5 鋼板全厚度范圍內顯微硬度的變化曲線。 從圖 3 中可看出，當電源電壓為 480V 時， 未經感應淬火處理的試樣整體處于較低的硬度水平。 而經感應淬火處理的試樣在表面處均獲得了一定程度的淬硬效果， 但由于試樣移動速度的不同， 使得試樣表面接受感應加熱與淬火的時間均發生變化， 使得最終獲得的淬硬層深度有較大的不同。 當移動速度為 350mm/min 時，由于移動速度較慢， 試樣兩側表面接受感應加熱與淬火均較為充分， 導致表面硬度及心部硬度均得到較大提升， 達到整體淬火的效果。 當移動速度增加至 400mm/min，由于試樣移動速度增加，試樣兩側表面接受感應加熱與淬火均較為充分， 而心部受熱不夠充分，導致表面硬度與心部硬度出現較大的不同，但整體硬度已經處于較高的水平。 繼續增加移動速度至 450 mm/min，導致試樣表面受熱程度降低，心部受熱更加不充分，整體硬度大幅下降，只有表面較薄的 區 域 達 到 淬 硬 效 果 。 當 移 動 速 度 降 低 至 500 mm/min 時，由于移動速度太快，試樣兩側表面接受感應加熱與淬火均不夠充分， 導致表面硬度提升呈現較大的下降梯度，且硬度均處于較低的水平。
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圖 4 為不同移動速度下 30MnB5 鋼板的室溫拉伸性能數據曲線。從圖 4 中可以發現，隨著試樣移動速度的升高， 試樣的抗拉強度與屈服強度均不斷降低。 與之相反，隨著試樣移動速度的升高，試樣的伸長率不斷升高，這表明材料強度下降的同時，材料的塑性在不斷得到增強。 這是由于當材料的淬硬效果減弱時，材料內部的組織狀態發生了變化。當淬硬組織為馬氏體時， 材料內部抵抗位錯增殖和攀移的阻力較大，拉伸變形過程中，材料內部較高的加工硬化水平使得應力增加幅度較小， 表現出較高的抗變形能力。但當材料發生屈服后，內部高應力水平加速得到釋放， 表現出較差的塑性。 當移動速度為 400 mm/min 時，強塑積達到最大值 20755MPa·%，該工藝參數下的試樣具有最好的綜合力學性能。
2.3 感應淬火工藝對顯微組織的影響
圖 5 為感應淬火處理前后 30MnB5 鋼板顯微組織的變化情況。從圖 5 中可以看出，當電源電壓為 480V 時， 未經感應淬火處理的試樣為典型的鐵素體+珠光體組織，鐵素體呈板條狀分布。 而經感應淬火處理(電壓 480V，移動速度 400 mm/min)后，顯微組織發生了顯著的變化， 淬硬組織區域內為典型的馬氏體組織。馬氏體組織為碳溶于 α-Fe 的過飽和固溶體， 這種通過溶入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬得到強化的現象， 是一種固溶強化機制。 同時，馬氏體內部包含有較多位錯，因此同時兼有位錯強化機制。 這也是淬硬組織力學性能顯著升高的原因(圖 2、4)。
3 結論
(1) 電源電壓對 30MnB5 感應淬火處理后力學性能的影響較大。 隨著電壓增加，30MnB5 的顯微硬度、 抗拉強度和屈服強度均得到大幅提升， 同時鋼板表面淬硬層深度也在明顯增加， 但材料塑性大幅下降。
(2) 工件移動速度對 30MnB5 感應淬火處理后力學性能的影響顯著。 隨著移動速度增加，30MnB5 的顯微硬度、抗拉強度與屈服強度均大幅下降，同時鋼板表面淬硬層深度也在明顯減小， 但材料塑性得到較大提升。
(3) 30MnB5 感應淬火處理后， 顯微組織由初始的鐵素體+珠光體組織轉變為馬氏體組織。 根據最佳強塑積計算結果，30MnB5 感應淬火處理最佳工藝參數為電源電壓 480V、移動速度 400mm/min。——論文作者：張 翔 1,2 , 耿彥波 1,2 , 陳 波 1,2 , 王 峰 1 , 徐 國 1
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