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摘要:本文通过正交试验,验证了不同冷处理参数对GCr15量块硬度和组织的影响,其中淬火与冷处理时间间隔对零件硬度和组织影响最大,其次是冷处理温度,冷处理时间的影响最弱。试验结果表明冷处理可以促使GCr15量块残余奥氏体充分转变为马氏体,提高零件硬度,保证零件硬度均匀性和尺寸稳定性。冷处理温度越低,淬火与冷处理时间间隔越短,零件硬度值越高,硬度均匀性越好,组织内残余奥氏体含量越低,冷处理时间对硬度和组织的影响不大。
关键词:GCr15量块;冷处理;硬度;组织
1 引言
GCr15材料是一种量具钢,淬透性好,耐磨性高,热处理后硬度均匀,经过适当热处理后尺寸稳定性好,用于制作各种量规、块规及其它高精度量具零件,如千分尺螺纹量杆,正弦规工作台及滚柱等。
GCr15除用于制作量具以外,还经常被用于制作各类轴承和工模具,一般采用淬火+低温回火的热处理工艺就可以满足零件技术要求。GCr15淬火后得到组织为马氏体+残余奥氏体+少量未溶碳化物颗粒,经过回火后,金相组织为回火马氏体+残余奥氏体+细粒状碳化物[1]。但GCr15材料制作的量具,要求高硬度和高尺寸稳定性,经前期大量试验验证,GCr15经常规的淬火回火处理后,硬度均匀性差,组织内部残余奥氏体含量高,在长期的存放和使用中,碳从马氏体中脱溶析出ε碳化物,马氏体正方度减小导致尺寸缩小,残余奥氏体继续转变为马氏体而引起尺寸膨胀,同时零件内部残余应力的松弛会造成弹性变形部分转变为塑性变形,引起尺寸变化,从而降低了量具的精度[2]。
冷处理是提高量具钢零件尺寸稳定性的一种热处理方法,冷处理是在零件淬火冷至室温后,将其冷至-60℃以下,使残余奥氏体尽量转变为马氏体的一种热处理方法[3]。为了寻求最佳的冷处理工艺参数和提高批量生产效率,本文对GCr15量块的冷处理工艺进行了研究。
2 试验方案
试验选用的是GCr15材料制作的淬火量块,零件尺寸为100×50×10,零件要求热处理后硬度均匀,硬度要求为HRC63.5~HRC64.5,淬火马氏体级别1级。
GCr15材料淬火温度一般为830℃~860℃,淬火温度过低会使奥氏体合金化不够,淬火后硬度、强度和疲劳性能降低,淬火温度过高又会使奥氏体晶粒粗大,得到粗马氏体和过多的残余奥氏体。GCr15回火温度一般为160℃~180℃,回火时间一般为4h~8h,这样既可以充分消除应力,又能保持零件的高硬度、高强度和高耐磨性。
本试验中GCr15量块的热处理工艺为:盐浴加热淬火855℃保温17min,油冷→冷处理→回火170℃保温4h,其中淬火和回火工艺参数为GCr15材料制作的轴承和工模具零件的常用热处理参数。为了验证不同冷处理参数对零件热处理后硬度和组织的影响,采取了正交试验的方式进行了研究,冷处理因素水平表如表1所示,试验方案如表2所示。
表1 GCr15量块冷处理因素水平表
| 因素A 冷处理温度 | 因素B 冷处理时间 | 因素C 淬火与冷处理时间间隔 |
位级1 | -60℃ | 30min | 1h |
位级2 | -80℃ | 60min | 2h |
位级3 | -120℃ | 90min | 3h |
表2 GCr15量块冷处理正交试验方案
| 冷处理温度A | 冷处理时间B | 淬火与冷处理时间间隔C |
1 | 1(-60℃) | 1(30min) | 3(3h) |
2 | 2(-80℃) | 1(30min) | 1(1h) |
3 | 3(-120℃) | 1(30min) | 2(2h) |
4 | 1(-60℃) | 2(60min) | 2(2h) |
5 | 2(-80℃) | 2(60min) | 3(3h) |
6 | 3(-120℃) | 2(60min) | 1(1h) |
7 | 1(-60℃) | 3(90min) | 1(1h) |
8 | 2(-80℃) | 3(90min) | 2(2h) |
9 | 3(-120℃) | 3(90min) | 3(3h) |
量块热处理后分别检测了硬度和金相组织。硬度检测采用的HR-150洛氏硬度计,每个量块测量五个位置的硬度,硬度点分布如图1所示。金相组织观察采用的是LEICA+Mias2000金相显微镜,之后对比JB/9211-1999马氏体显微组织等级图谱对零件热处理后的微观组织进行了判定。
图1 GCr15量块硬度检测部位示意图
3 试验结果及分析
3.1 不同冷处理参数对GCr15量块硬度的影响
9组试样的硬度检测结果列入表2中,对每组试样的平均硬度值和硬度均匀性偏差进行了统计,见表3。
表2 GCr15量块硬度检测结果(HRC)
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均硬度值 | 硬度均匀性偏差 |
1 | 61 | 61.5 | 64 | 62 | 61.5 | 62 | 3 |
2 | 64 | 64 | 64.5 | 63.9 | 64.4 | 64.16 | 0.6 |
3 | 63 | 63.8 | 64 | 63.7 | 63.5 | 63.6 | 1 |
4 | 63 | 61.5 | 63.7 | 62.5 | 62 | 62.54 | 3 |
5 | 62 | 61.5 | 63 | 61 | 62 | 61.9 | 2 |
6 | 64.4 | 64.6 | 64.5 | 64.7 | 64.5 | 64.54 | 0.3 |
7 | 64 | 63.9 | 63.5 | 64 | 63.6 | 63.8 | 0.5 |
8 | 62.8 | 63.3 | 64 | 63.8 | 63.7 | 63.52 | 1.2 |
9 | 63 | 62.5 | 63.5 | 61.7 | 62.6 | 62.66 | 1.3 |
表3 GCr15量块冷处理正交试验统计结果
| 平均硬度值 | 硬度均匀性偏差 | ||||
冷处理温度 | 冷处理时间 | 淬火与冷处理时间间隔 | 冷处理温度 | 冷处理时间 | 淬火与冷处理时间间隔 | |
位级1之和 | 188.34 | 189.76 | 192.5 | 6.5 | 4.6 | 1.4 |
位级2之和 | 189.58 | 188.98 | 189.66 | 3.8 | 5.3 | 5.2 |
位级3之和 | 190.8 | 189.98 | 186.56 | 2.6 | 3.0 | 6.3 |
极差R | 2.46 | 1 | 5.94 | 2.9 | 2.3 | 4.9 |
图2给出的是不同冷处理参数对平均硬度值的影响,图3给出的是不同冷处理参数对硬度均匀性偏差的影响。
图2 不同冷处理参数对GCr15量块平均硬度值的影响
图3 不同冷处理参数对GCr15量块硬度均匀性偏差的影响
从表2可以看出,第1组、第4组、第5组、第9组试样达不到HRC63.5~HRC64.5的硬度要求,第6组硬度略高于技术要求,第2组、第3组、第7组、第8组试样硬度符合要求。
从表3中极差R值可以看出,淬火与冷处理时间间隔对硬度值和硬度均匀性影响最大,其次是冷处理温度,最后是冷处理时间。
从图2和图3可以看出,冷处理温度越低,试样硬度值越高,硬度均匀性越好,冷处理时间的影响无确定规律,淬火与冷处理时间间隔越短,试样硬度值越高,硬度均匀性越好。
3.2 不同冷处理参数对GCr15量块组织的影响
热处理后,对符合硬度要求的4组试样的金相组织进行了观察,试样的金相组织如图4所示。
图4 GCr15量块金相组织图片
第2组试样;b)第3组试样;c)第7组试样;d)第8组试样;
对比JB/9211-1999马氏体显微组织等级图谱,可以看出第2组试样和第7组试样马氏体级别为1级,组织为隐针马氏体和细针马氏体,铁素体不大于5%,符合技术要求,第3组试样和第8组试样马氏体级别为2级,金相组织为细针马氏体和板条马氏体,不符合技术要求。通过金相组织图可以看出冷处理温度越低,淬火与冷处理时间间隔越短,组织内残余奥氏体含量越低,马氏体尺寸越小。
4 生产过程控制
在生产中对GCr15量块进行冷处理时,需对装炉量、清洗、转移时间进行控制。
装炉量:零件在处理时,零件间应留有间隙,以保证零件加热充分,组织完全奥氏体化;
清洗:零件在淬火后清洗时,必须采用冷水快速进行清洗,不能使用热水,否则会影响冷处理效果;
淬火与冷处理时间间隔:零件在淬火后,应该在1h内转至冷处理。
5 结论
冷处理可以促使GCr15量块残余奥氏体充分转变为马氏体,提高零件硬度,保证零件硬度均匀和尺寸稳定性。为达到GCr15量块硬度HRC63.5~HRC64.5,淬火马氏体级别1级的要求,冷处理温度应该控制在-60℃~-80℃,冷处理时间≥30min,淬火与冷处理时间间隔≤1h。
通过对GCr15量块冷处理工艺研究,解决了高硬度、高尺寸稳定性量具热处理的难题,为其它材料的量具热处理做好了工艺储备,为公司拓展量具热处理市场奠定了基础。
参考文献:
[1] 深冷处理对GCrl5组织和力学性能的影响.赵国华,于文平,魏建勋.材料开发与应用,2010(25)
[2] 航空制造工程手册.王广生,王峙南.航空工业出版社
[3] 钢的冷处理和深冷处理.樊东黎.热处理, 2010(25)