淬火介质对高强度螺栓用45钢组织与性能的影响
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【摘 要】本论文以高强度螺栓用45钢为研究对象，采用洛氏硬度测试、显微硬度测试、压缩强度测试、冲击韧性测试、光学显微镜及扫描电镜等检测手段，研究了淬火介质对45钢组织与性能的影响，从而确定最佳的淬火介质。
0 引言
高强度螺栓具有易于拆换、施工简便、承载能力强、耐疲劳和安全性好的优点，是继铆接和焊接之后迅速发展起来的一种钢结构连接类型[1-2]。45钢是含碳量为0.45%的优质碳素结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，是生产中最常见的材料之一，在齿轮、连接杆、蜗杆、叶轮、泵、活塞、曲轴等零件制造中被广泛应用。然而45钢淬透性较低，水淬时有开裂倾向，因此改善和提高45钢的性能，对提高高强度螺栓质量和安全稳定性有重要的意义[3-5]。
1 实验材料和实验方法
1.1 实验材料
本课题采用的高强度螺栓用45钢的基本化学成分如表1所示。规格为Φ70mm×60mm。
将未经处理的45钢加热升温到奥氏体转变温度840℃以上，待完全奥氏体化，保温一段时间后分别迅速放入水、机油、盐水及PVA合成淬火剂中进行淬火冷却[6]。根据已设计好的热处理工艺，本次试验将试样分成5组，分别编号0#、1#、2#、3#、4#，每组试样各3个，以便取得平均数据，使实验更准确。其中0#试样为原始试样，在试验中与其它试样做对比，1#试样为水冷试样、2#试样为油冷试样、3#试样为盐水冷试样、4#试样为PVA冷试样。
2.2 实验方法
针对不同处理态试样分别进行洛氏硬度、显微硬度和压缩强度测试。将不同淬火介质下淬火的试样，经预磨、粗磨、细磨、抛光和腐蚀后在光学显微镜（OLYMPUS-BX51）和扫描电镜（SHIMADZU-SSX550）下进行拍照观察。
3 实验结果与分析
3.1 淬火介质对45钢性能的影响
五组试样的硬度试验结果如图1和图2所示。由图可见，1#、3#试样的硬度明显较高，而2#、4#试样的硬度较低。这是由于45钢水冷或盐水冷时，可以得到马氏体组织；而淬火介质采用机油或PVA合成淬火剂时，无法得到马氏体组织，所以硬度较低。由于水冷在650～550℃奥氏体不稳定区随液温升高冷速急剧下降，而在300～200℃马氏体转变区域仍保持着较高的冷却速度，因而试样水冷后容易产生较大的变形甚至开裂，以及产生硬度不均等现象。而盐水冷在650～550℃范围内有更快的冷却速度，这对保证钢的淬硬来说是非常有利的。因此，用盐水淬火的钢，容易得到高的硬度，不易产生淬不硬的软点。
五组45钢压缩实验结果如图3所示，可见1#、3#较其它三组试样相比，屈服强度较高。马氏体较珠光体有很好的强度，如果45钢中马氏体含量较多，能大幅度提高45钢的机械性能。3#与1#相比，强度更高，这说明盐水冷比水冷更利于提高45钢的屈服强度。根据TTT曲线图可知，650～550℃之间应当进行快速冷却，以尽量通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。而油冷和PVA冷在过冷奥氏体最不稳定的区域冷却速度缓慢，从而发生珠光体转变，使45钢的机械性能下降。因此，油冷得到的2#和PVA冷却所得到的4#强度都很低，只比0#原样略高。
冲击韧性试验结果如图4所示，由于油冷和PVA冷在过冷奥氏体最不稳定的区域冷却速度缓慢，发生了珠光体转变，所以2#和4#的较高，即韧性较好，与0#原样相当。盐水冷却的3#试样韧性较水冷的1#试样有所改善。
3.2 淬火介质对45钢组织的影响
0#原样的组织为珠光体+铁素体，如图5所示。其中，黑色片状组织为珠光体，分布在其周围的白色块状组织即为铁素体。理论上，珠光体的洛氏硬度不大于20，铁素体的硬度和强度低，塑性、韧性好。未经处理的45钢硬度、强度一般，但塑性、韧性很好。
4 结论
（1）用水淬火的45钢，硬度、强度提高显著，塑性和韧性有所降低。组织为混合的板条状马氏体和片状马氏体。
（2）用油淬火的45钢，硬度、强度稍有提高，塑性和韧性略有降低。组织为珠光体和铁素体。
（3）用盐水淬火的45钢，硬度、强度大幅提高，塑性和韧性有所降低。组织为混合的板条状马氏体和片状马氏体。其中，板条状马氏体比水淬得到的多。所以经盐水冷却的45钢不仅具有高强度和高硬度，而且塑性和韧性也较水冷的45钢有所改善。
（4）用PVA合成淬火剂淬火的45钢，硬度和强度提高不多，塑性和韧性略有降低。组织为珠光体和铁素体。
综上所述，盐水是最佳的淬火介质，经盐水淬火后的45钢，洛氏硬度达到58.22，屈服强度达到1608MPa。盐水的淬冷能力比水强，且配制容易，适合高强度螺栓生产过程中使用。
【参考文献】
[1]周海波，朱晓勇，郑玉春，汪冬梅.45钢螺栓断裂失效分析[J].金偃却理，2009（12）：107-109.
[2]杨志婷，朱玉秀，万恩同，张友登.45#钢螺栓表面线状缺陷分析[J].武汉工程职业技术学院学报，2009（02）：29-31.
[3]董世柱，徐维良.结构钢及其热处理[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2009，3.
[4]杨淑范，陈守介.淬火介质[M].机械工业出版社，1990，8.
[5]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2000.
[6]张克俭.淬火冷却技术及其应用技术漫谈[J].热处理2004，29（3）：52-58.