淬火工艺对碳钢硬度的影响

柳彭鹏

摘 要：碳钢含碳量对碳钢淬火后的硬度有很大的影响。对于相同含碳量的碳钢，不同加热温度和淬火方式对碳钢的硬度也有影响。通过实验，可以总结出碳钢含碳量和碳鋼淬火条件对碳钢硬度的影响，对实际工业生产可以起到一定的指导作用。

关键词：淬火；碳钢硬度；加热温度；水淬

中图分类号：TG156.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.098

工业中为获得硬度合适的碳钢，工厂会试用不同含碳量的碳钢，同时采取多种热处理方法对碳钢进行处理。为得到不同淬火工艺与碳钢含碳量的关系，本文采用了45#和T10 2种不同的含碳钢，共设置了8组实验进行对照和数据分析，以此确定这些因素对碳钢含碳量的影响。

1 实验条件

该实验中的磨样、硬度测量和显微观察步骤均是在常温常压下进行的。淬火中选取了2个不同的温度分别对2种碳钢进行加热处理，淬火分为水淬和油淬，淬火后置于常温常压下等待进行后续步骤。具体加热温度和时间如表1.

实验材料及设备如下：半径为20 mm的45#钢4个；半径为25 mm的T10钢4个；高温箱式电阻炉，相应的热电偶和温控仪表；洛氏硬度计；油淬和水淬淬火用水槽各1个，铁钳、成套砂纸和硝酸酒精若干；卧式金相显微镜（带摄影装置）1台，台式金相显微镜若干。

2 实验方法和步骤

2.1 淬火

分别取2个45#样品和2个T10样品。打磨掉其氧化层后，将样品置于电阻炉中加热到指定温度后保温。保温后，分别对各组中的2个样品进行水淬和油淬，然后再分别对45#样品和T10样品进行一次非正常处理。将45#样品打磨后在500 ℃下保温20 min，接着水淬，将T10样品打磨后在940 ℃下保温25 min后水淬。

2.2 测量硬度

取以上6个样品进行硬度测量。使用洛氏硬度计进行硬度测试，对同一试样测试3次，取其平均值作为实验结果。

2.3 金相试样的制备

金相试样的制备包括取样、磨制、抛光、腐蚀等几个步骤。抛光时要不时地用氧化铝所制的溶液喷洒。腐蚀液使用质量分数为4%的硝酸酒精溶液，腐蚀5～10 s。

2.4 组织观察

使用带摄影装置的卧式显微镜观察所有的样品。要注意移动样品，选取无磨痕、组织清晰的区域观察并拍照。

3 实验具体数据

实验组织照片如图1.

4 实验数据分析

观察金相图可知，45#钢原始组织基体组织为片状珠光体+网状、块状铁素体。T10钢原始组织黑色基体为细片状珠光体，沿晶界分布的白色细网络为二次渗碳体。对所有组织而言，淬火后均会形成马氏体，使得碳钢硬度得到提升。这是因为碳在马氏体中的固溶强化作用很强。另外，不论是板条状马氏体的板条，还是片状马氏体的条片都很细小，会使得晶界增多，有利于碳偏聚钉扎位错，有利于硬度的提高。同时，马氏体自身的体心立方结构密排滑移面较少，减少了位错的滑移，提高了硬度。

而对于不同的样品或者同一样品不同热处理条件下所形成的组织，其硬度也会不同。随着含碳量的增加，组织中渗碳体数量增加，铁素体数量减少，固溶强化作用和对位错的钉扎作用都会加强，淬火后，组织也会逐渐由硬度较低的板条状马氏体向硬度较高的片状马氏体转变。由硬度测试的数据分析可知，对样品保温后进行水淬后的硬度一般高于其油淬后的硬度。这是因冷却速度不同所造成的组织性能的差异所致，不同的冷速下得到的样品显微组织不同，冷却速度越快，淬火硬度越高。

对于45#钢，其低于正常淬火温度下的水淬硬度远低于正常淬火温度下水淬的硬度；而对于T10钢，其高于淬火温度下的水淬硬度较于正常淬火温度下的硬度也偏低。这是因为对于成分一定的碳钢，淬火后的硬度是由马氏体中饱和的碳浓度以及未转变残余奥氏体的量所决定。在相同的淬火温度下，合金碳化物的溶解是奥氏体中溶解碳的限制因素，而碳化物的分解和扩散难易是其奥氏体中碳溶解度的主要影响因素。在较低温度下淬火时，奥氏体中溶解的碳量较少，转变的马氏体中饱和的碳也较少，所以硬度较低。当淬火温度逐渐升高时，碳化物的溶解能力和元素的扩散能力也随之增强，使奥氏体中溶解适量的碳，从而使组织淬火后形成高硬度的马氏体。当淬火温度继续上升时，奥氏体中溶解的碳量过多，会使奥氏体的稳定性增强，使部分奥氏体淬火后不能形成马氏体。组织中剩余的残余奥氏体增多，即使经回火后仍不能消除，却会降低组织硬度。这就是奥氏体的稳定化。另外，淬火温度过高还会促使晶粒长大，从而使晶界减少，硬度降低。高温脱碳现象严重，也会对组织硬度造成影响。

5 实验结论

实验得出以下结论：①碳钢淬火后形成马氏体会提高组织的硬度。②含碳量越高，碳钢的硬度越高。③碳钢淬火后硬度显著提升，水淬后的硬度普遍高于油淬。这是因为冷速越快，硬度越高。④成分一定的碳钢有自身最合适的淬火温度，高于或者低于这个温度都会使碳钢硬度下降。

致谢：本论文实验在指导老师的指导下完成，实验中得到了薛晓瑜、张婷、金贝宣、贾丽娜和闫相斌5位同学的帮助。

参考文献

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