中频感应淬火及回火对45Mn钢组织和硬度影响

曹 培，张 青

(江苏南钢通恒特材科技有限公司，江苏 南京 210000)

45Mn钢具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，其淬透性较40Cr高，正火后可切削性良好，冷拔、滚丝、攻丝和锻造、热处理工艺性能较好，高温下晶粒长大、氧化、脱碳倾向及淬火变形倾向均较小；但有回火脆性，回火稳定性比40Cr钢稍差，一般在调质状态下使用，用于制造受磨损的零件，如转轴、心轴、曲轴、花键轴、连杆、万向节轴、啮合杆、齿轮、离合器盘、螺栓、螺母等[1-3]。王茜等[4]研究了热处理工艺对45Mn2钢球力学性能的影响，利用锻造预热淬火后得到板条马氏体组织，随着回火温度的升高，抗拉强度降低，冲击韧性增大。马春来[5]对25Mn2钢热处理工艺进行优化，水淬金相组织为板条状马氏体，随淬火温度的升高，板条状马氏体逐渐粗大。邬晓燕等[6]采用不同淬回火工艺处理无变形40Mn钢带，对比分析不同淬火温度、加热时间和淬火介质对转变组织和性能的影响。牛翰卿等[7]对深松铲材料ZG65Mn进行不同参数的热处理，对比不同退火温度和不同回火温度下ZG65Mn的硬度和冲击韧性，指出淬火后ZG65Mn组织为板条马氏体和残余奥氏体，组织不均匀，需要进行后续的回火处理使组织均匀，以降低内应力。不同碳含量锰钢热处理工艺均有研究，但相较于传统热处理方式，利用中频感应对中规格45Mn钢棒进行热处理报道较少，且感应热处理由于其高效、节能、环保、细化晶粒显著、加热均匀等特点被快速应用于工业生产中[8-16]。本文采用中频感应淬火及回火对45Mn钢棒进行热处理，研究不同工艺条件下45Mn钢棒的组织及硬度。

1 实验材料与方法

实验用45Mn钢棒化学成分为(质量分数，%)：0.42～0.50 C，0.17～0.37 Si，0.7～1.0 Mn，≤0.035 S，≤0.035 P，≤0.25 Cr，≤0.25 Ni。钢棒直径为φ40 mm，中频感应热处理，淬火温度为870 ℃，水淬；回火温度为550 ℃，空冷。45Mn钢棒金相组织为珠光体+块状铁素体，如图1所示。

图1 原材料金相组织Fig.1 Metallographic structure of raw materials

使用线切割机截取钢棒试样，打磨、抛光后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。采用Lab.A1蔡司金相显微镜进行金相组织观察，采用HR150DT电动洛氏硬度进行硬度检测。

2 结果与分析

2.1 金相组织

图2为870 ℃中频感应淬火后45Mn钢的金相组织。由图2(a)可以看出，45Mn钢经过870 ℃中频感应淬火后，从表面到心部组织出现明显分层，界限清晰，位置1、位置2、位置3分别对应淬硬区、过渡区和心部热影响区。淬硬区组织为针状马氏体，由于感应加热效率高、升温快，奥氏体晶粒来不及长大，淬火后形成的马氏体组织细密均匀，见图2(b)；过渡区组织为淬火马氏体+屈氏体，见图2(c)；心部热影响区组织为屈氏体+珠光体，见图2(d)。

导致组织出现分层差异的主要原因为采用中频感应淬火时，在集肤效应的影响下，45Mn钢表层温度迅速达到奥氏体化温度且奥氏体晶粒来不及长大，经淬火后迅速冷却转变为马氏体组织，相较于传统淬火工艺得到的马氏体更加均匀细密。同时受于透入电流深度的影响，在其极限处升温速度明显小于表层，故过渡区加热不如表层速度快、温度高，且淬火时冷却速度低于表层，因而形成淬火马氏体+屈氏体混合组织。对于心部热影响区，由于透入电流深度有限，其组织发生转变所需热量主要依靠表层向内部热传导，加热温度低、冷却速度慢形成屈氏体+珠光体的混合组织。

(a)淬火试样；(b)淬硬区；(c)过渡区；(d)热影响区图2 870 ℃中频感应淬火后45Mn钢的金相组织(a)quenched sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.2 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching at 870 ℃

图3为中频感应淬火、回火后45Mn钢的金相组织。由图3(a)可以看出，45Mn钢经过870 ℃中频感应淬火和550 ℃中频感应回火后，从表面到心部组织分层界限趋于模糊，位置1、位置2、位置3分别对应淬硬区、过渡区和心部热影响区。回火后淬硬区组织为回火索氏体，碳化物呈细针状分布，组织均匀细密，见图3(b)；过渡区由淬火马氏体+屈氏体混合组织转变为回火索氏体+珠光体混合组织，见图3(c)；心部热影响区组织为索氏体、珠光体以及沿晶界分布的网状铁素体，见图3(d)。

(a)回火试样；(b)淬硬区；(c)过渡区；(d)心部热影响区图3 中频感应淬火、回火后45Mn钢的金相组织(a)tempered sample;(b)hardening zone;(c)transition zone;(d)heat affected zoneFig.3 Microstructure of 45Mn steel after medium frequency induction quenching and tempering

2.2 硬度分析

图4为45Mn钢从表面到心部的硬度变化曲线。由图4可知，870 ℃中频感应淬火后，45Mn钢从表面到心部淬火硬度呈现三段式下降，表层硬度变化较小，距表面2 mm处淬火硬度为58.5 HRC。硬度曲线变化符合淬火组织变化，淬硬区组织为针状马氏体，表现出高硬度；过渡区组织为淬火马氏体、屈氏体，距离心部越近，马氏体含量越少，硬度快速下降，幅度较大；心部热影响区组织为屈氏体、珠光体，越靠近心部珠光体含量增多，硬度缓慢下降。

图4 45Mn钢硬度变化曲线Fig.4 Hardness change curve of 45Mn steel

中频感应淬火、回火后，淬硬区硬度均匀，过渡区硬度下降较快，热影响区硬度趋于平缓。

中频感应淬火后，淬硬区宽度为8.7 mm，过渡区宽度为6.2 mm。550 ℃回火后，淬硬区与过渡区宽度均无明显变化。

3 结论

1)45Mn钢棒中频感应淬火后，从表面到心部分为淬硬区、过渡区和热影响区，淬硬区为细密均匀的针状马氏体组织，过渡区组织为淬火马氏体+屈氏体，热影响区组织为屈氏体+珠光体；

2)45Mn钢棒中频感应淬火、回火后，淬硬区组织为回火索氏体，碳化物呈细针状分布，组织均匀细密；过渡区组织为回火索氏体+珠光体；心部热影响区组织为索氏体、珠光体以及沿晶界分布的网状铁素体；

3)870 ℃淬火时淬硬区宽度为8.7 mm，过渡区宽度为6.2 mm；经550 ℃回火后淬硬区与过渡区宽度均无明显变化。