50CrVA钢等温回火实验研究

50CrVA钢等温回火实验研究

杨凯

杨凯

陕钢集团汉中钢铁有限责任公司陕西勉县724200

摘要：通过对50CrVA钢在盐浴炉中加热到860℃后用20#机油淬火，然后在盐浴炉中等温回火，通过控制温度研究在不同时间中回火时间和试样平均硬度的关系并绘制曲线图，然后在变化其温度再进行回火时间和试样平均硬度的的研究。从而完善回火实验数据分析软件，使之能够用于回火工艺参数的优化设计、快速回火工艺的制定、回火生产过程的精确热处理等。

关键词：50CrVA钢等温回火淬火盐浴炉硬度回火时间

1引言

钢的淬火与回火目前仍然是现代制造业中最常见的传统热处理技术之一。回火工艺看似简单，实际上对应着复杂的固态相变过程。在实际生产中，回火件的性能是否合格通常是以硬度的检测为依据的。在回火温度和回火时间这两个参数中，回火温度对回火硬度的影响远远大于回火时间的影响。为了得到所要求的回火硬度，可以通过适当提高回火温度的方法来缩短回火时间，以节约能源和提高生产效率。但目前各种材料手册所提供的试验数据和图表难以对回火工艺参数进行优化设计，从而达到在回火过程中实现节能和提高生产效率的目的。其原因有两个：一是淬火钢的回火硬度与回火温度的关系曲线是在特定的回火时间条件下测得的，无法得知回火温度与回火时间的当量关系；二是回火温度的小幅度增加会造成回火硬度的明显下降，采用较低回火温度和较长回火时间的工艺操作在控温精度不高或炉温均匀性较差的情况下更为安全。因此，解决这两个方面的问题就成为开发节能回火工艺的基础。

2.设计实验方案

2.1实验材料

50CrVAΦ28×8

2.2热处理工艺

2.2.1淬火温度对50CrVA钢的组织和性能的影响

50CrVA钢淬火加热温度与组织形态和机械性能的关系。试验表明适当提高这种钢的淬火温度，淬火后得到细板条马氏体，经430℃回火后，具有较好的强韧化效果50CrVA钢是材料试验机行业生产机械式测力计弹簧体的主要材料之一。这种弹簧体一般称为测力环。测力环从毛坯到成型产品要经过热锻成型、冷加工到热处理等各种工艺加工。一个合格的测力环产品要求示值稳定，具有良好的回零性。然而，多年来测力环的加工过程，尤其是热处理加工过程，部分产品达不到设计要求。因此有必要弄清测力环的热处理温度对其组织及性能的影响，探讨最佳的热处理工艺参数范围。为制订热处理生产工艺及适宜地操作方式提供参考。

2.2.2加热温度对淬火马氏体形态的影响

在不同温度下加热，从淬火的金相组织看，随奥氏体化温度升高，马氏体形态发生明显变化。加热温度低于860℃时，淬火马氏体形状呈片状，当淬火温度提高到880℃以上时，淬火马氏体逐渐从片状马氏体变成板条状，且随温度升高，板条马氏体数量逐渐增多，板条马氏体的尺寸也逐渐增大。同时残留奥氏体呈块状分布在板条马氏体之间，待温度达到920℃时，已明显地形成条状，残留奥氏体沿着板条马氏体分布。马氏体形态的这种变化其因素是错综复杂的。一般认为主要是高温奥氏体化有利于碳充分扩散和奥氏体均匀化的结果。也就是在高温下碳的充分扩散使得碳化物溶解，导致碳化物减少。这样就减少了局部高碳区域形成弯晶马氏体的可能性。同时在高温下因碳充分均匀化，使Ms点升高，奥氏体在Ms的屈服强度相应降低有利于形成板条马氏体。合金元素锰是降低层错能的元素，在高温下奥氏体中固溶锰量增加，导致奥氏体的层错能降低，进一步促使淬火马氏体由片状向板条状转化。

2.2.3加热温度对机械性能的影响

淬火加热温度对钢50CVrA的机械性能有很大影响，与其它弹簧钢有相类似的规律提高淬火加热温度可使50CVrA钢的淬火组织由片状马氏体逐渐向板条马氏体转化，880℃淬

火组织是以板条马氏体为主的混合型马氏体。在900℃短时加热不会造成组织粗化。淬火温度不应超过920℃。

2.2实验步骤

2.2.1淬火

将试样每五个一组用铁丝穿起来，放在盐浴炉中加热到860℃保温1010min，然后在热水中清洗将表面的盐和油清洗掉，以防止试样被腐蚀。

2.2.2回火

在特定温度下回火，自200℃～540℃，每隔50℃做一组实验，每个特定温度下做不同时间的回火实验八次（例如200℃下做6min、12min、18min、30min、1h、2h、3h、4h）将每个试样在盐浴炉中回火后在热水中清洗，擦油、编号、装袋。

2.2.3测试样硬度

将每个试样在其不同位置测三次硬度求其平均值作为该试样的硬度值，绘制时间、温度、硬度曲线关系图。

3实验数据分析

3.1函数建立的思路

淬火钢在某温度回火时硬度的下降主要由两部分组成：第一部分对应曲线的斜率较大，硬度下降的幅度大、变化快；第二部分对应曲线的斜率较小，硬度下降的幅度小、变化平缓。假设第一部分主要由温度因素所决定，则第二部分可认为时间因素起主要作用。而这两个部分都近似符合直线关系[7]。在第一阶段，由于淬火马氏体存在大量缺陷，马氏体中的过饱和碳原子会迅速向附近的缺陷处迁移，造成固溶强化效果降低，表现为硬度的快速下降，而且时间很短；在第二阶段，这个阶段碳原子从马氏体中脱溶析出的速度和数量都大为减少，硬度下降缓慢。回火过程都伴随着碳原子的扩散，是一个由扩散所控制的相变和组织转变过程，而一切与扩散相关的物理过程，等温回火时硬度H变化可以看成两个衰变指数函数的叠加。

变量之间若客观上存在一定的关系，为了深入了解事物的本质，往往需要找出反应它们之间的数学表达式，通过数学表达式才能更加确切的描述三个变量之间的关系，然而回归分析法是处理变量间相关关系的有利工具。

3.2实验数据分析

实验数据如表3.1所示，优化数据如表3.1所示

实验数据和优化数据的误差分析如表3.3所示，由表3.3的数据可以看到实验硬度与优化硬度的最大绝对误差为1.53；平均绝对误差为0.482361。其中绝对误差在1.0以上的只有个别数据而已。然而硬度值的系统误差在±1.0HRC，所以优化后数据的误差在误差允许的范围内，也就是说优化数据是比较准确的，是可以采用的。所以我们就用优化数据进行非线性回归分析，数据图如图3.2所示，由此所得到的三维线图如图3.3所示。

4应用

4.1回火工艺参数的优化设计

对于回火硬度要求已知的某淬火钢，通过回火特性函数，可以精确计算出多组可供选择的回火工艺参数：（T1，t1），（T2，t2），（T3，t3）…

4.2制定快速回火工艺方案

适当提高回火温度可减少所需要的回火时间，回火特性函数给出了回火温度与回火时间的精确当量关系，利用该函数或与其对应的等硬度曲线可以制定快速回火工艺方案，达到缩短工艺周期，降低能耗，实现节能热处理的目的。

4.3本研究可以解决的问题

4.3.1普查30～50个牌号淬火钢的回火硬度数据，给出相应的函数表达式、数据库和误差分析数据；

4.3.2完善回火实验数据分析软件，使之能够用于回工艺参数的优化设计、快速回火工艺的制定、回火生产过程的精确热处理等；

4.3.3出版回火特性曲线手册；

4.3.4研究用维氏硬度值表征回火硬度时双指数规律是否存在；

4.3.5研究回火硬度下降与马氏体正方度的关系；

4.3.6研究合金元素对指纹数据的影响规律。

参考文献：

[1].《热处理技术数据手册》»机工社2006年P781

[2].《模具材料及热处理手册》机工社2008年P222

[3].《热处理手册（工艺基础）》机工社2006年P173

[4].戴起勋程晓农《金属材料学》第二版化学工业出版社2011

[5].胡光立谢希文《钢的热处理》第四版西北工业大学出版社2012

[6].石德珂《材料科学基础》第二版机械工业出版社