热处理工艺对65Mn材料组织和性能的影响

采用落实硬度计和光学显微镜对真空炉淬火+井式炉回火和盐浴炉淬火+井式炉回火两种热处理后65Mn材料的性能和组织进行对比分析。结果表明：真空炉淬火+井式炉回火后材料硬度低，为30～35HRC，组织为马氏体、贝氏体、铁素体及碳化物；盐浴炉淬火+井式炉回火后材料硬度高，为50～35HRC，组织为马氏体和少量铁素体及碳化物；分析造成真空炉淬火+井式炉回火硬度低的原因为：真空炉淬火时淬火转移时间长（淬火转时间约40s），造成材料奥氏体化不充分，淬火后零件硬度低。1概 述     65Mn 钢的强度高，淬透性好，脱碳倾向小，价格低廉，是航空产品零件中常用的材料。一般采用盐浴炉进行淬火，随着近年来环保要求的提高，清洁生产成了热处理发展的主要趋势，伴随着盐浴炉的逐步淘汰，65Mn 材料热处理需要用其他设备进行替代，而真空热处理具有无污染、零件表面质量好的优点，成为替代盐浴炉的主要设备。我厂65Mn 使用真空炉进行处理，硬度低于要求，经常出现不合格产品。本文以此为研究目标，对65Mn 材料真空炉淬火+井式炉回火、盐浴炉淬火+井式炉回火及球化退火前处理3 种热处理后材料性能和组织进行对比分析。2试验材料、试验件情况和主要方法      2. 1 试验材料  试验采用材料为65Mn，材料化学成分见表1。2. 2 试验设备   双室真空油淬气冷炉、盐浴炉、箱式电炉和井式炉。2. 3 试验件情况   试验件的有效厚度为6mm，见图1。2. 4 试验方法    所有材料均进行正火处理，设备采用真空炉，正火温度820℃，时间80min，冷却方式前室冷却。使材料晶粒细化、化物分布均匀化及消除机加工应力。2.4.1 真空炉+井式炉热处理试验工艺    淬火温度820℃，保温时间60min，油冷。回火温度300～340℃，保温时间70min，油冷。2.4.2 盐浴炉+井式炉热处理试验工艺    淬火温度820℃，保温时间10～12min，油冷；淬火转移时间选择3、7、10、15、20s。回火温度300～340℃，保温时间70min，油冷。对淬火态试验件及淬火+回火态试验件采用洛式硬度计检测硬度，对淬火+回火后试验件使用光学显微镜检测组织。2.4.3 球化退火工艺试验     正火的主要作用是使晶粒细化和碳化物分布均匀化，消除应力等。球化退火的主要作用是使钢中碳化物球化而进行的退火，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。基于以上原理，验证球化退火对淬火硬度的影响。     球化退火使用箱式电炉，球化退火温度810～830℃，随炉冷却至500℃以下出炉空冷。3试 验 结 果 与 分 析3. 1 试验结果    真空炉+井式炉热处理试验工艺及结果见表2，其中淬火态的硬度能够达到30～35HRC，回火后随温度由300℃增加340℃，硬度值基本无变化，为30～35HRC。    回火温度300℃与340℃对回火硬度几乎无影响。    结果说明，使用真空炉进行淬火（经测定，我厂使用的真空炉，淬火转移时间约40s），试验件硬度达不到要求。   盐浴炉+井式炉热处理试验工艺及结果见表3，其中淬火状态硬度能够最高达到62HRC，随着转移时间的延长，硬度从62HRC 降低为49.5HRC，回火温度选择320℃，对应的硬度值由54HRC 降低至44.7HRC，试验结果说明，淬火转移时间是影响淬火硬度的重要因素。球化退火工艺试验结果见表4，结果表明试验件经正火和球化退火，淬火后硬度值没有差异。3. 2 分析与讨论3.2.1 真空炉与盐浴炉对比分析   从表2 和表3 中可以发现使用相同淬火温度后，使用真空炉淬火后的硬度为33~33.5HRC，使用盐浴炉淬火后的硬度为60.2HRC、62.0HRC，两者硬度相差很大，造成回火后试验件硬度相差大。使用金相显微镜对回火后的组织进行分析，见图2、图3。    仔细观察图1，组织为板条状马氏体、少量的残余奥氏体和一些回火过程中析出的碳化物形貌，板条的特征十分明显，组织整体较为均匀。仔细观察图2，组织为板条状马氏体、回火贝氏体、铁素体及碳化物，其中板条状马氏体占比不到40%，大多数组织为回火贝氏体、奥氏体。    通过以上分析，马氏体含量占比低是试验件硬度低的主要原因。大量奥氏体存在的原因为淬火时奥氏体化未能转化为马氏体，造成这种情况的原因为真空炉淬火时淬火转移时间过长。3.2.2 淬火转移时间对硬度影响分析    淬火转移时间，即零件从盐浴槽开始露出或炉门打开到全部浸入淬火介质所经历的时间。如果淬火温度低于Ac1，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。    将盐浴炉+井式炉热处理试验工艺中淬火转移时间和淬火后硬度值做“淬火转移时间-硬度值"曲线，见图4。    由图4 中可见，随着淬火转移时间的增加，淬火后的硬度值呈下降趋势。硬度值下降主要是因为零件温度下降过程中部分组织转变为贝氏体，导致转变为马氏体的组织减少。4结 论①65Mn 材料淬火转移时间对硬度的影响非常重要，随着淬火转移时间的增加，淬火后的硬度值呈下降趋势。淬火转移时间过长，会造成硬度低。②对比真空炉+井式炉热处理试验工艺和盐浴炉+井式炉热处理试验工艺，可以发现真空因淬火转移时间过长，导致65Mn 零件淬火硬度低。③6mm左右有效厚度的65Mn 材料选择热处理淬火设备时应优先选择盐浴炉或气氛保护的箱式电炉。