張紅霞，趙紅利，吳觀虎

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料工程系,湖北 十堰 442002）

30CrMnTi合金鋼熱處理工藝研究

張紅霞，趙紅利，吳觀虎

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料工程系,湖北 十堰 442002）

針對30CrMnTi合金鋼進行了相應(yīng)的淬火和回火工藝試驗研究，通過系列實驗比較了不同濃度的AQ251淬火液和回火溫度對30CrMnTi合金鋼熱處理后的組織和硬度的影響。結(jié)果表明AQ251淬火液在高溫階段600℃和低溫階段350℃有較大冷卻速度；隨著淬火介質(zhì)濃度的減小，30CrMnTi合金鋼淬火硬度呈上升趨勢；在350℃以下回火，回火溫度對硬度影響不明顯，超過350℃回火，硬度隨溫度增加降低顯著。

30CrMnTi；熱處理；AQ251淬火液；硬度；組織

30CrMnTi合金鋼具有高強度、高韌性和較高淬透性，常用于制造機械中受載荷大的主軸、軸、齒輪、螺栓和發(fā)動機轉(zhuǎn)子等重要零件［1］。某公司生產(chǎn)高速、重載條件下工作的軸類零件，為保證高強韌性，選用油淬火加低溫回火的處理工藝，但依然出現(xiàn)硬度不足的缺陷，不能滿足使用要求。本文研究了30CrMnTi不同熱處理條件下的硬度與組織，確定了熱處理工藝參數(shù)和淬火介質(zhì)對熱處理性能的影響，為該材料的現(xiàn)場熱處理生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗材料及工藝

1.1 實驗材料成分

試驗材料是來自沙鋼集團的30CrMnTi，具體成分見表1［2］。該鋼加入Cr和Mn元素可以產(chǎn)生固溶強化，并有效提高鋼的淬透性；Ti是強碳化物形成元素，有利于提高淬火加熱溫度，細(xì)化晶粒。

表1 30CrMnTi鋼的化學(xué)成分

1.2 鋼的物理性能

試驗中選取試樣是在Φ75 mm的鋼材上取得120 mm長的料頭，再做成厚度為15 mm左右，長寬為15×15 mm的立方體試樣。鋼的臨界溫度點見表2，鋼在不同淬火介質(zhì)中的淬火臨界直徑見表3，從鋼的等溫曲線來看［2］，該鋼的淬透性略小于35CrMnTi，優(yōu)于20CrMnTi。

表2 30CrMnTi鋼的臨界溫度點

表3 30CrMnTi鋼淬火臨界直徑

1.3 熱處理技術(shù)要求

試驗材料原材料的硬度在17～20 HRC，組織由鐵素體和珠光體均勻分布。要求熱處理后滿足技術(shù)要求［3］為：抗拉強度1475 MPa，延伸率9%，斷面收縮率40%，硬度42.5～46.5 HRC。

1.4 熱處理工藝方案

從實驗用鋼材料成分及臨界溫度來看，該鋼合金元素含量較多，為了保證更多的合金元素溶入奧氏體中，正火和淬火溫度選擇（860±10）℃。

考慮到AQ251是一種新型PAG水溶性淬火介質(zhì)［4］。根據(jù)淬火冷卻速度的要求通?？烧{(diào)制成5%～50%的水溶液使用,其冷卻性能介于水和油之間。對于某些材料采用AQ251淬火介質(zhì)可以避免“水淬易裂而油淬不硬”這一缺點。試驗中選擇不同濃度AQ251水溶液作淬火介質(zhì)與油淬進行對比，采用RCL-2000型淬火介質(zhì)性能測定儀測試?yán)鋮s介質(zhì)的的淬火冷卻曲線。淬火后，分別在240℃、320℃、400℃、500℃、560℃進行相應(yīng)的回火處理。具體試驗方案見表4。

表4 熱處理實驗方案

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 淬火組織分析

試驗中都采取了860℃正火作為前處理。860℃加熱在不同的淬火介質(zhì)進行淬火，淬火后的組織見圖1。從圖1中可見淬火后組織均為針狀馬氏體和殘余奧氏體，相鄰的馬氏體互不平行，呈一定的交角排列在空間形態(tài)呈現(xiàn)出凸透鏡狀。針狀馬氏體是中、高碳（合金）鋼淬火形成的典型馬氏體組織，這種馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶［5］。從圖1中可見馬氏體的針狀尺寸差異不大，但是在不同介質(zhì)中淬火后殘余奧氏體的含量有些差別。6%的A251淬火介質(zhì)淬火的試樣殘余奧氏體量最高，隨A251濃度增加，殘余奧氏體量鑄件減少，10%A251淬火介質(zhì)淬火與油淬后的組織較為接近。

2.2 回火組織分析

淬火零件雖然具有較高的硬度、強度，但脆性大且存在內(nèi)應(yīng)力，必須經(jīng)過回火處理才能在實際中應(yīng)用?；鼗鹉苁箒喎€(wěn)定組織變成較穩(wěn)定組織，消除淬火殘余應(yīng)力［6］。圖2所示為在8%A251溶液中淬火后的試樣在不同溫度下的回火組織圖。圖2a所示低溫回火組織為回火馬氏體，具有明顯針狀特征，幾乎看不出碳化物析出，還殘留有部分殘余奧氏體。圖2b為320℃回火組織，針狀特征依然明顯，但回火馬氏體邊沿已有些模糊，說明已經(jīng)有向回火屈氏體的轉(zhuǎn)變趨勢，殘余奧氏體已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變；圖2c為400℃的回火組織，回火馬氏體形態(tài)發(fā)生一定程度改變，但并不顯著，原因在于30CrMnTi由鉻等元素作用使合金鐵素體再結(jié)晶溫度較高，故仍保持一定的針狀形態(tài)［3］。由于回火穩(wěn)定性的提高，從320℃回火的金相組織中看到組織邊界沒有明顯模糊的跡象，但在400℃回火的金相組織圖像中就能夠明顯看到組織邊界已經(jīng)開始變模糊，即開始發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。圖2d為560℃回火組織，可以看出鐵素體和顆粒細(xì)小的碳化物已經(jīng)較明顯，回火索氏體中的碳化物呈粒狀。回火索氏體的組織細(xì)小，組織邊界已經(jīng)有了顯著回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象。

金相組織分析可以得到，介質(zhì)濃度不同對淬火組織上的殘余奧氏體的量有一定的影響；此外隨著回火溫度的增加，回火組織邊緣逐漸變模糊，在320℃以下溫度回火組織變化很細(xì)微，在400℃以后回火組織變化較明顯，組織邊界出現(xiàn)較明顯的模糊現(xiàn)象，證明這種材料的再結(jié)晶溫度在350℃左右。

2.3 硬度分析

圖3是對4組試樣在不同溫度回火后的硬度曲線圖，從圖3可看出，不同淬火介質(zhì)淬火后，隨淬火介質(zhì)濃度升高，淬火后的硬度有輕微降低，差距在3 HRC左右；淬火介質(zhì)的濃度越低，淬火后的硬度就越高，這是因為濃度越低，其冷卻性能就越是趨近于水，冷卻速度越快。隨回火溫度升高回火后硬度均呈逐漸降低的趨勢，在低于350℃時，減小的趨勢不明顯；高于350℃時，硬度減少顯著。由前面組織分析知道，在350℃以下溫度回火，組織沒有發(fā)生明顯的改變，沒有發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶的跡象，很大程度上是消除內(nèi)應(yīng)力，因此在硬度上沒有明顯降低，回火溫度超過350℃時，組織發(fā)生較明顯改變，而且回火溫度越高，組織變化越大，硬度越低。油淬后的在400℃以下回火，硬度低于A251溶液淬火回火后硬度，但400℃以上回火，硬度要略高，這應(yīng)該與介質(zhì)淬火冷卻能力有關(guān)［7］。

2.4 淬火介質(zhì)的冷卻性能特性分析

不同淬火介質(zhì)的淬火冷卻曲線見圖4，可以得出A251有機淬火介質(zhì)在610℃左右達(dá)到最大的冷卻速度，介質(zhì)濃度越小其最大冷速越大，冷卻能力越大。由于A251溶液具有逆溶性［4］,在逆熔溫度以上分離出不溶聚合物，其冷卻速度曲線不是單調(diào)減小，而是在490℃左右出現(xiàn)拐點，冷卻速度降到200℃/s左右。在低溫350℃左右，冷速又迅速提高，6%A251溶液冷速可以達(dá)到300℃/s。油的冷卻速度相對有機淬火介質(zhì)在高溫和低溫段都要低，其最大冷速在500℃左右，為210℃/s；這一點也充分解釋了圖3中的硬度分布趨勢的原因。

3 結(jié)論

考察了影響30CrMnTi熱處理性能的因素淬火介質(zhì)濃度、回火溫度兩方面，其中回火溫度比淬火介質(zhì)濃度對硬度的影響要明顯。

隨著回火溫度的提高，硬度逐漸降低；在350℃以下溫度回火，回火溫度對硬度影響不明顯，超過350℃回火，硬度隨溫度增加降低顯著。

隨著淬火介質(zhì)濃度的減小，淬火硬度整體有上升趨勢，8%～10%AQ251淬火后得到的硬度以及組織較好吻合預(yù)期效果；6%～10%AQ251有機介質(zhì)淬火后硬度均高于油淬后的硬度。

AQ251在高溫階段600℃和低溫階段350℃有較大冷卻速度，300℃以下冷速較小，具有優(yōu)良的淬火冷卻性能。

［1］潘清林，薛松柏.金屬材料科學(xué)與工程［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2006.

［2］中國機械工程學(xué)會熱處理專業(yè)學(xué)會.熱處理手冊［M］.4版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］上海交通大學(xué)《金相分析》編寫組.金相分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982.

［4］彭竹琴，苗晉琦.AQ251淬火介質(zhì)濃度變化對冷卻性能的影響［J］.金屬熱處理，2000（12）：38-39.

［5］溫新林，王秀梅，張大慶.水溶性淬火介質(zhì)在現(xiàn)代熱處理中的應(yīng)用［J］.熱加工工藝，2007（6）：58-60.

［6］康永林，陳慶軍，王克魯，等.700MPa級低碳貝氏體鋼的熱處理工藝研究［J］.材料熱處理學(xué)報，2005，26（3）：96-99.

［7］王盈.熱處理工藝對噴射沉積ZA35合金組織和性能的影響［J］.鑄造技術(shù)，2010，31（3）：325-328.

Study of Heat Treatment Process for 30CrMnTi Steel

Zhang Hongxia，Zhao Hongli，Wu Guanhu
（Dept.of Material Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

30CrMnTi；heat treatment；AQ251 quenching liquid；hardness；microstructure

TG156

A

1008-5483(2011)01-0050-03

2011-01-07

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)重點研究項目（D20102003）

張紅霞（1973-），女，副教授，碩士，從事材料表面處理和金屬復(fù)合材料的研究工作。

Abstrct:The quench and temper processes of 30CrMnTi steel were researched and the effects of concentration of the（AQ251）quenching liquid and tempering temperature on the microstructure and hardness were discussed.The results show that the cooling rates of AQ251 approach climax at 600℃in high temperature and 350℃in lower temperature.The hardness of 30CrMnTi increases with the decrease of the concentration of the quenching liquid.However it decreases obviously with the increase of the temper temperature above 350℃while it differs slightly under 350℃.