本文為你講述感應淬火件的金相組織，以及根據金相分析對工藝合理性的判斷。 圖1 63X 圖2 500X 圖號：圖1、圖2 材料：45鋼 工藝情況：表面高頻加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 圖1，由表及里的組織分布形貌。圖上半區域為表面高頻加熱淬火后組織發生變化的形貌，其白色小條狀為未溶解的原始組織中的鐵素體，黑色基體為淬硬組織，由于倍率小分辨不清。圖下半區域為未發生組織轉變的原始組織(即通常稱為心部組織)為黑色珠光體及白色鐵素體。 圖2，表面高頻加熱淬硬區高倍下形貌為馬氏體、少量深黑色分布在鐵素體周圍的網絡狀的屈氏體以及大塊狀未溶鐵素體，按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》標準評定，本組織評為10級，屬加熱不足組織，為不合格品。經感應加熱淬火后表層組織中馬氏體粗細、鐵素體殘留量多少等均應控制、評定。同時，還應控制淬硬層深度，一般按GB/T 5617《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》標準測量。 圖3 63X 圖號：圖3 材料：45鋼 工藝情況：表面高頻加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 左邊灰白色區域即是馬氏體及逐漸向內(右邊)少量托氏體，接近交界處有鐵素體。心部為原始組織是珠光體及鐵素體，晶粒較細小，圖中黑色棱形為維氏硬度壓痕，表層硬度高，心部硬度低。 根據標準GB/T 561《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》中規定,有效硬化層(DS)處極限硬度值是零件表面要求的最低硬度 HVMS×0.8的函數。 即按公式：極限硬度HV=HVMS×0.8，該工件表面硬度要求大于680HV，代入公式，則極限硬度HV=680x0.8=544(HV)，這可從硬度梯度曲線上求得 DS=1.45mm。 圖4 500X 圖5 500X 圖6 500X 圖號：圖4~圖6 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 正常高頻感應加熱淬火后的組織。 圖4，最表層組織主要是較細針狀馬氏體，按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》評定相當于4~5級，屬正常加熱組織。 圖5，過渡區組織形貌，灰白色基體為馬氏體及白色條狀未溶解的鐵素體，并在其周圍析出黑色的托氏體組織。鐵素體的含量隨深度的增加而增多。 圖6，心部組織。因為未受到加熱影響，故仍為45鋼原始組織，鐵素體條塊狀分布及細片狀珠光體組織，約各占50%，屬正常的45鋼退火組織。 圖7 400X 圖號：圖7 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表面淬硬層粗大針狀馬氏體。 由于感應加熱功率高，致使表面溫度偏高(900℃以上），因而使晶?？焖匍L大，在隨后的急冷中得到粗大的針狀馬氏體。按標準評定相當于1級，屬過熱組織。中碳鋼的含碳在0.4%~0.5%之間，當感應加熱奧氏體化后，淬火急冷中得到馬氏體針特征是瘦長排列的，它不同于高碳鋼淬火后的馬氏體表現肥大的特點。 圖8 400X 圖號：圖8 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 淬火方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表層基體呈較粗針狀馬氏體組織。按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》評定相當于3級，屬過熱組織。 瘦長針狀馬氏體比圖7略為短小，晶粒亦較細一些，但仍屬加熱偏高的組織，必須調整加熱參數使工件表面奧氏體化溫度下降，才能得到較細的馬氏體組織。 圖9 400X 圖號：圖9 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表層基體為中等針狀馬氏體組織，按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》評定相當于4級，屬正常組織。 馬氏體針狀較短，說明表面奧氏體化瞬時加熱溫度適中，這樣在淬火后才能得到正常的馬氏體組織。 圖10 400X 圖號：圖10 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 較細針狀馬氏體，按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》評定相當于5~6級，屬合格的正常組織，硬度55.0HRC。馬氏體較短，針狀不甚明顯，加熱溫度恰到好處。 對45鋼而言，表面感應加熱的溫度在850℃左右，才能得到這樣細的馬氏體組織，這也是接近極限溫度，若溫度再低就會出現屈氏體欠熱組織。 圖11 400X 圖號：圖11 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表層為馬氏體及黑色屈氏體和微量鐵素體的混合組織，按JB/T 9204《鋼件感應淬火金相檢驗》標準評定相當于8~9級，屬欠熱組織，硬度 48.0HRC。 圖中灰白色基體為馬氏體組織，很細，故而針狀不明顯。黑色團狀區為屈氏體組織。這是由于奧氏體化溫度不足，在冷卻時低于臨界冷卻速度故而形成奧氏體的分解產物-屈氏體組織。并在屈氏體中有少量白色小顆粒，是未溶解的鐵素體組織。屈氏體和鐵素體組織均為降低基體硬度的組織，屬不完全淬火，對高頻淬火來講，屬不合格組織。 圖12 400X 圖號：圖12 材料：45鋼 工藝情況：高頻感應加熱淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表層為馬氏體及屈氏體和較多的鐵素體混合組織。按JB/T9204《鋼件感應淬火金相檢驗》標準評定相當于9~10級，屬欠熱組織。硬度45.0HRC。 圖中灰白色為馬氏體組織，很細，分不清針狀，這是由于加熱溫度偏低的原因。黑色為屈氏體，屈氏體中間夾有白色條塊狀鐵素體是屬于未溶解的組織。這是由于表面加熱溫度偏低，即低于相變溫度，致使奧氏體化溫度不夠，故得到不均勻的混合組織。 圖13 實物 圖14 100X 圖15 500X 圖16 500X 圖號：圖13~圖16 材料：45鋼(齒條) 工藝情況：齒部高頻淬火處理 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 圖13，齒條縱向剖面，齒部深色為高頻淬硬層。 圖14，齒部淬硬層組織為細針狀馬氏體及極少量白色小塊未溶鐵素體。 圖15，過渡區，呈混合組織。圖右側為馬氏體、鐵素體及少量托氏體，圖左側為珠光體及沿晶分布的鐵素體，屬心部組織。 圖16，心部組織，黑色珠光體及白色網絡狀鐵素體，屬一般正火組織。齒頂淬硬層硬度54.0HRC，心部硬度21.0HRC。 圖17 實物 圖18 500X 圖19 500X 圖20 100X 圖號：圖17~圖20 材料：35鋼 工藝情況：齒條齒部高頻淬火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 圖17，齒條縱橫截面上宏觀形貌，黑色為高頻淬火硬化層，從齒面處淬硬區一直延伸到近齒根處，在齒根處均無淬硬層。 圖18，齒條心部組織，為索氏體及較多的條狀鐵素體。 圖19，齒塊淬硬層的基體組織，主要為中等針狀馬氏體，按標準評定為馬氏體4級。 圖20，齒條縱向組織呈帶狀偏析分布。齒條頂部硬度56.0~57.0HRC，心部低于20.0HRC。 圖21 實物 圖22 500X 圖23 500X 圖號：圖21~圖23 材料：50鋼 工藝情況：中頻淬火、低溫回火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 圖21，實物為帶槽的鋼環感應淬火后外貌，在環槽尖角處有許多平行裂紋。 圖22，裂紋細小、剛直，呈鋸齒狀，大部分沿原奧氏體晶界延伸，小部分為穿晶，裂紋兩邊沒有脫碳。 圖23，感應淬火層的組織為馬氏體4級，針狀馬氏體。圓環槽因尖角處存在應力集中，在感應淬火組織應力作用下，產生垂直于尖角的平行裂紋。 圖24 500X 圖號：圖24 材料：50鋼 工藝情況：高頻淬火后低溫回火處理 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 馬氏體和少量殘余奧氏體，按標準評馬氏體為4級。含碳量0.40%~0.50%的優質碳素結構鋼，通常采用表面感應淬火工藝。在表面淬火后能保證硬化層有足夠高的硬度和耐磨性，而無顯著的脆性，工件心部仍保持原來的強度、塑性和韌度。 圖25 500X 圖號：圖25 工藝情況：鑄造成型，滲碳緩冷后感應淬火，低溫回火 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 表面滲碳層感應加熱淬火組織，針狀馬氏體和較多殘余奧氏體，按QC/T 262《汽車滲碳齒輪金相檢驗》標準評定馬氏體及殘余奧氏體為5級。 低合金鋼滲碳后表面成為高碳低合金鋼，在感應加熱過程中溫度較難控制。本樣品即為過熱組織。同時，感應加熱淬火對心部不起作用，表面硬化層得不到心部強韌基體支承，在沖擊載荷下極易開裂、變形。 圖26 實物 圖27 550X 圖28 550X 圖29 550X 圖號：圖26~圖29 材料：40CrNiMo(SAE4340) 成分：C：0.42%；Mn：0.76%；Ni：1.67%；Mo：0.20% 工藝情況： 鍛造后850℃淬火，380℃回火。圖28，(端部)低頻加熱淬火，180℃回火。圖29，(端部)高頻加熱淬火，180℃回火。 浸蝕方法：圖26，50%鹽酸水溶液熱蝕圖27~圖29，4%硝酸酒精溶液浸蝕。 組織說明： 圖26，采掘機上刀刃部分剖面，模鍛后金屬流線沿工件外形分布(可提高根部強度)，深色區域為低頻淬硬區，其深度可達30~35mm，使工件根部淬到，提高根部強度以防止服役后從該處彎斷。 圖27，工件心部(非感應加熱淬火區)組織為回火托氏體，細小且均勻，是正常的淬火、中溫回火組織，具較好的綜合性能。 圖28，低頻感應淬火區的顯微組織，針狀馬氏體，可評為5級，屬正常組織。 圖29，高頻感應淬火區的顯微組織，較粗的針狀馬氏體3~4級。圖28與圖29 為同種部件、同種材料，不同最終熱處理的組織形貌。 圖26~圖29為導掘機刀刃部件工藝分析圖片。該工件選用40CrNiMo。(SAF4340)含有較多的 Cr、Ni、Mo合金元素，淬透性好，同時 Cr、Ni、Mo的聯合添加對基體起到綜合強化的作用，經上述工藝熱處理后具有很高的強度和良好韌度，其基體力學性能可達到σ0.2=1390MP，σb=1540MPa，δ=12%，ψ=50%。表面采用低頻淬火的目的是為了使淬硬層具有更好的淬火組織和更深的淬硬深度，因為感應淬火存在集膚效應現象，感應淬火的頻率越高，感應加熱的深度越淺;采用低頻感應淬火，可使整個刃部同時受到加熱直到根部，防止根部出現未淬硬而存在組織拉應力。使用時根部所受的彎曲應力最大，所以如果未淬硬，就容易出現根部斷裂的現象。采用低頻淬火，還可使整個刀刃同時加熱，加熱時間短，整個刃部的加熱溫度均勻，淬火后整個刃部為均勻的細針狀馬氏體，其頂部不易過熱。 圖29是作為對比，采用高頻感應淬火的刀圈，為了增加高頻淬火的淬硬深度，里層的感應淬火是靠外層的擴散加熱，這樣加熱時間延長，頂部的馬氏體容易粗大，從而降低刃部的性能。由于里層淬火區要靠擴散加熱，這樣熱影響增加，基體硬度降低明顯，這種情況如果出現在根部，對其性能影響更大。而低頻感應淬火基本不出現這種現象。 圖30 50X 圖號：圖30 材料：42CrMo 工藝情況：表面感應加熱淬火后磨削加工 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 感應加熱淬火后經磨削加工的表面形貌，黑色龜狀裂紋沿晶界發展，局部發生剝落，低倍率下馬氏體形態難以辨別，淺白色網絡為成分偏析留下的痕跡(成分差異造成浸蝕效果差異)。 此種裂紋為典型磨削裂紋，產生原因除與磨削工藝有關外，還與基體組織有關，如感應加熱淬火過熱，殘余應力大，極易引發磨削裂紋。 圖31 400X 圖號：圖31 材料：42CrMo 工藝情況：表面感應加熱淬火后磨削加工 浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕 組織說明： 圖31的高倍率形貌，沿晶裂紋較寬而且平直，針狀馬氏體清晰可見，相當于1~2級，屬過熱淬火組織。磨削過程中，工藝控制不當會發生二次淬火，但一般不會引發過熱粗大組織。本樣品形貌表明，感應加熱過程中有過熱現象。也不能排除本樣品在感應加熱淬火前組織已經粗大，這可以進一步從分析心部組織中找到答案。
經高頻加熱噴射冷卻的零件，表面硬度比普通淬火的硬度要高2~3個HRC，其耐磨性也要比普通淬火的高，硬度和強度比較高，以及有表面壓應力狀態的綜合效果。
材料：ZG20CrMo
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