淬火硬化层深度的影响因素

钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力，是钢本身固有的一个属性，主要与钢的过冷奥氏体稳定性或与钢的临界冷却速度有关。而影响淬硬深度（淬透深度）的因素是多方面的，对于一种材料状态，主要受临界冷却速度、淬火冷却介质和试件尺寸大小等因素的影响。本文通过基础工艺试验，研究淬火冷却介质、试件尺寸大小对40CrNiMo材料淬火硬化层深度的影响。

1. 试验

（1）试验材料工艺试验选用40CrNiMo材料，直径分别为60mm、70mm、80mm和90mm的棒材，切割成长度为100mm的试样，材料的化学成分符合表1的要求。

（2）设备中温箱式电炉、洛氏硬度机、金相显微镜、水冷砂轮切割机。

（ 3 ） 试验方法一 ：将尺寸为φ 6 0 m m × 1 0 0 m m 、 φ 7 0 m m × 1 0 0 m m 、φ 80mm×100mm和 φ 90mm×100mm的40CrNiMo材料圆柱试样在850℃淬入油和水中，保温试件依次为3h、4h、4h20min和5h，淬火后的试样，截断成两个相等部分，切断时务必注意切断处不要过热，再把断口磨光，研磨时也需冷却，然后在沿磨光截面的直径上每隔2mm的各点上测量硬度（HRC），根据中心和表面硬度的数值和差异，对比试样尺寸大小和淬火冷却介质的冷却能力对淬硬

层深度的影响。

方法二：将淬火后的40CrNiMo圆柱试样切割为金相试样，每试样沿横向中心截面方向切割出表面、二分之一半径、中心各1件。观察金相组织，分析影响硬化层深度的因素。组织对比试样的取样位置如图1所示。

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2. 试验结果

（1）不同尺寸试样硬度梯度结果采用试验方法一测得40CrNiMo材料 φ 60mm×100mm、φ 7 0 m m × 1 0 0 m m 、 φ 8 0 m m × 1 0 0 m m 和φ 90m m×100m m试样油冷的硬度梯度数据

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如表2、表3和表4所示， φ 60m m×100m m和φ 90mm×100mm试样水冷的硬度梯度如表4、表5所示。

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（2）截面不同区域的金相组织观察结果采用试验方法二，测得不同尺寸大小油冷试样表面、

3. 分析与讨论

（1）试样尺寸和冷却方式对淬火硬化层深度的影响从表2～表5的硬度数据可以看出，当都采用油冷时，直径为60mm的试样表面到心部的硬度基本一致，在50HRC左右；直径增加为70mm时，表面硬度为50HRC左右，心部硬度在44～45HRC之间；直径继续增加到80mm时，整个截面的硬度变化不大，都在39～43HRC之间；当直径达到90mm时，硬度下降更多，截面的硬度在34～39HRC之间。

当采用冷却能力较强的水冷时，同样为 φ 90mm的试样，表面硬度可以达到54～55HRC，心部的最低硬度也能达到44HRC。试件尺寸大小对淬硬层深度的影响可用图6 [1] 来说明，将钢自奥氏体化温度迅速冷却到开始马氏体相变的温度，主要是依靠淬火剂把钢件内部的热量迅速导走。试件的尺寸越大，所含的热量便越多，而使热量自钢件内部传导至表面，最后为淬火剂冷却所需的时间也越长，即钢件的冷却速度越慢。用同一材料做成不同尺寸大小的试件。大尺寸的试件，不论表面或中心的冷却速度都是比较缓慢的。

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因此，小尺寸试件的整个截面可以完全淬透，而大型试件甚至连表面都不能淬硬。即使表面部分淬硬了，也会由于奥氏体的转变在较高温度进行的，以致所获得的硬度也较低；尺寸越大，表面硬度也将越低。

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当试样的尺寸由 φ 60m m×100m m增加到φ 90m m×100m m时，油冷试样表面硬度由50H R C下降到40H R C。φ 80m m×100m m和φ 90mm×100mm试样油冷时，由于试样尺寸较大，加热后所含有的热量较多，油的冷却能力偏低，冷却时淬火冷却介质不能及时有效地吸收传导出的热量，使试样在淬火时发生了回火，即自回火现象，导致试样硬度较低。当采用冷却能力较强的水冷却时，外层的冷却速度最强烈，试样淬火后的表面硬度较高，即使是尺寸最大的φ 90mm×100mm试样，表面也能达到54HRC，但由于表面和中心之间的冷却速度相差最悬殊，使表面和心部的硬度也相差较大。

（2）试样尺寸和冷却方式对硬化层组织的影响由于实际冷却速度大于或者小于临界冷却速度的情况不同，有的试件能完全淬透，油冷的试件只能在一定深度或表面层中淬成马氏体组织，而中心部位则不能获得淬火组织。

从图2可以看出， φ 60mm试件表面和心部为典型的马氏体组织，因为40CrNiMo材料为中碳中合金钢，所以形成板条和片状两种混合组织，是以片状马氏体为主，针状形貌很明显。直径为70mm时，由于冷速降低，发生了贝氏体转变，从表面到心部都存在部分的羽毛状上贝氏体组织和粒状贝氏体组织，越靠近中心，羽毛状的贝氏体组织量越多。直径为80mm时，基本上全都是贝氏体组织。越近中心，粒状贝氏体区域越多、越集中。因为粒状贝氏体的形成温度一般在贝氏体转变温度区间的最上部，所以该组织的出现是冷速进一步降低的结果。直径90mm与直径80mm试件的组织形貌相似，基本上均为贝氏体组织。