摘 要：采用显微硬度测试、室温拉伸试验与显微组织观察分析，研究了中频感应淬火工艺参数对 30MnB5 钢板显微组织与力学性能的影响。结果表明：电源电压与工件移动速度对 30MnB5 感应淬火工艺处理后的力学性能影响显著。随着电压的升高与移动速度的降低，材料强度与硬度均得到明显提升，但塑性下降较快。 经感应淬火处理后，30MnB5 显微组织由初始的铁素体+珠光体组织转变为马氏体组织。 根据强塑积计算结果，30MnB5 最佳感应淬火工艺参数为电源电压 480 V，移动速度 400 mm/min。 该工艺参数下，强塑积达最大(20755 MPa·%)，综合力学性能最佳。
关键词：30MnB5 钢;感应淬火;力学性能;显微组织;强塑积
30MnB5 作为热冲压成形钢[1-2]，是一种适用于热成形工艺生产的高强度钢板，具有较好的加工性能与良好的焊接性能。由于 B 元素的添加，30MnB5 钢板的淬透性更好，经过调质处理后其硬度显著提升，常被用作耐磨件、刀具、齿板等零件。 30MnB5 钢板作为耐磨件使用时[3-4]，通常需要进行淬火工艺改善其使用硬度，达到较好的抗磨损服役性能。通常采用整体淬火工艺，可以使 30MnB5 钢板力学性能得到显著提升，尤其是强度与硬度提升十分明显，但同时需要以损失较大的塑性为代价[5] 。 另一方面，整体淬火工艺能耗高，对环境污染大，造成生产成本较高。 耐磨件通常是表面层需要有较高的硬度与较好的耐磨性，同时在使用过程中由于会遭受一定程度的冲击，因而需要一定的抗冲击韧性。 中频感应加热具有加热速度快，变形小;材料心部高韧性，表面高硬度;效率高，能耗低，便于实现机械化和自动化等优点[6-8]。加热过程可以通过控制加热温度、冷却速度、工件移动速度等参数达到最优淬火效果。 中频淬火应用非常广泛，可对轴、齿轮、齿板等工程机楲耐磨零部件进行处理，提高其使用可靠性。 因此，本文通过探讨中频感应淬火工艺参数对 30MnB5 钢板的显微组织 与 力 学 性 能 的 影 响 规 律 ， 为 实 际 生 产 制 定 30MnB5 钢板中频感应淬火工艺提供参考。
1 试验材料与方法
试验钢板为某公司生产的冷轧正火态 30MnB5 钢板，厚度为 15mm，经赛默飞世尔火花直读光谱仪进行化学成分测定，结果见表 1。 对比欧洲标准 BS EN10083-3-2006《淬火钢和回火钢 第 3 部分 合金钢的交货技术条件》，化学成分均满足标准规定要求。
中频感应淬火工艺试样通过线切割机制备，并采用磨床将表面进行磨削处理。 中频感应处理试验专用设备采用 CJC-1000/1500 型立式数控淬火机床。中频淬火工艺中主要的工艺参数为淬火温度与保温时间。 淬火温度与淬火电源的电压、 工件的移动速度有关，保温时间与工件的移动速度有关。 因此，通过前期预试验，在 30MnB5 钢奥氏体转变温度附近选取电源电压参数分别为 440、460、480 和 500 V，对应保温时间选择工件移动速度分别为 350、400、 450 和 500 mm/min。 工艺试验完成后， 依据 GB/T 2975-2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》进行性能检测试样制备。金相试样经研磨抛光并腐蚀后，采用 DMI5000M 型智能研究级倒置金相显微镜进行组织观察与分析。 通过英斯特朗 600 kN 万能试验机对工艺试样进行拉伸性能测定。采用 KB30S 全自动显微维氏硬度试验机对工艺试样进行全厚度维氏硬度梯度检测分析。
2 结果及分析
2.1 电源电压对力学性能的影响
图 1 为电源电压对 30MnB5 钢显微硬度分布的影响。 从图 1 中可看出， 在工件移动速率为 400 mm/min、不同电源电压下 30MnB5 钢板全厚度范围内显微硬度的变化。 未经感应淬火处理的试样整体硬度较低，且分布较为均匀。而经感应淬火处理的试样在表面处均获得了一定程度的淬硬效果， 但由于电源电压的不同， 使得表面淬硬层深度有较大的不同。 当电压为 440V 时，试样两侧表面硬度均得到了提升，但明显未达到奥氏体转变温度所需的热量，即淬火温度不足，导致硬度提升幅度较小，加热影响深度也较浅。 同样， 当电压升高至 460V， 表面硬度相比 440V 有明显提升， 但其加热影响深度反而发生波动，说明在该电压值范围内，材料组织性能处于临界过渡变化状态。 当电压再次提升至 480V，试样两侧表面硬度大幅提升，出现深度较大的淬火硬化层。并且心部硬度同步得到提升的同时， 保留了部分的塑性变形能力。 当电压提升至 500V 时， 试样整体淬透，且硬度分布较为均匀。
图 2 为电源电压对 30MnB5 钢拉伸性能的影响。从图 2 中可看出， 在工件移动速率为 400mm/min、不同电源电压下 30MnB5 钢板的室温拉伸性能。 随着电源电压的升高， 试样的抗拉强度与屈服强度均不断提升。 与之相反，随着电源电压的升高，试样的伸长率不断降低，这表明材料强度提升的同时，材料的塑性在不断损失。 将抗拉强度与伸长率相乘获得的数值为强塑积， 可以较好的反映材料的综合力学性能。 因而，材料在保证较高抗拉强度的同时，较少的损失塑性，即可获得较大的强塑积。 当电压为 480 V 时，强塑积达到最大值，为 20755MPa·%，该工艺参数下的试样具有最好的综合力学性能。
2.2 移动速度对力学性能的影响
图 3 为不同移动速度下 30MnB5 钢板全厚度范围内显微硬度的变化曲线。 从图 3 中可看出，当电源电压为 480V 时， 未经感应淬火处理的试样整体处于较低的硬度水平。 而经感应淬火处理的试样在表面处均获得了一定程度的淬硬效果， 但由于试样移动速度的不同， 使得试样表面接受感应加热与淬火的时间均发生变化， 使得最终获得的淬硬层深度有较大的不同。 当移动速度为 350mm/min 时，由于移动速度较慢， 试样两侧表面接受感应加热与淬火均较为充分， 导致表面硬度及心部硬度均得到较大提升， 达到整体淬火的效果。 当移动速度增加至 400mm/min，由于试样移动速度增加，试样两侧表面接受感应加热与淬火均较为充分， 而心部受热不够充分，导致表面硬度与心部硬度出现较大的不同，但整体硬度已经处于较高的水平。 继续增加移动速度至 450 mm/min，导致试样表面受热程度降低，心部受热更加不充分，整体硬度大幅下降，只有表面较薄的 区 域 达 到 淬 硬 效 果 。 当 移 动 速 度 降 低 至 500 mm/min 时，由于移动速度太快，试样两侧表面接受感应加热与淬火均不够充分， 导致表面硬度提升呈现较大的下降梯度，且硬度均处于较低的水平。
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图 4 为不同移动速度下 30MnB5 钢板的室温拉伸性能数据曲线。从图 4 中可以发现，随着试样移动速度的升高， 试样的抗拉强度与屈服强度均不断降低。 与之相反，随着试样移动速度的升高，试样的伸长率不断升高，这表明材料强度下降的同时，材料的塑性在不断得到增强。 这是由于当材料的淬硬效果减弱时，材料内部的组织状态发生了变化。当淬硬组织为马氏体时， 材料内部抵抗位错增殖和攀移的阻力较大，拉伸变形过程中，材料内部较高的加工硬化水平使得应力增加幅度较小， 表现出较高的抗变形能力。但当材料发生屈服后，内部高应力水平加速得到释放， 表现出较差的塑性。 当移动速度为 400 mm/min 时，强塑积达到最大值 20755MPa·%，该工艺参数下的试样具有最好的综合力学性能。
2.3 感应淬火工艺对显微组织的影响
图 5 为感应淬火处理前后 30MnB5 钢板显微组织的变化情况。从图 5 中可以看出，当电源电压为 480V 时， 未经感应淬火处理的试样为典型的铁素体+珠光体组织，铁素体呈板条状分布。 而经感应淬火处理(电压 480V，移动速度 400 mm/min)后，显微组织发生了显著的变化， 淬硬组织区域内为典型的马氏体组织。马氏体组织为碳溶于 α-Fe 的过饱和固溶体， 这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属得到强化的现象， 是一种固溶强化机制。 同时，马氏体内部包含有较多位错，因此同时兼有位错强化机制。 这也是淬硬组织力学性能显著升高的原因(图 2、4)。
3 结论
(1) 电源电压对 30MnB5 感应淬火处理后力学性能的影响较大。 随着电压增加，30MnB5 的显微硬度、 抗拉强度和屈服强度均得到大幅提升， 同时钢板表面淬硬层深度也在明显增加， 但材料塑性大幅下降。
(2) 工件移动速度对 30MnB5 感应淬火处理后力学性能的影响显著。 随着移动速度增加，30MnB5 的显微硬度、抗拉强度与屈服强度均大幅下降，同时钢板表面淬硬层深度也在明显减小， 但材料塑性得到较大提升。
(3) 30MnB5 感应淬火处理后， 显微组织由初始的铁素体+珠光体组织转变为马氏体组织。 根据最佳强塑积计算结果，30MnB5 感应淬火处理最佳工艺参数为电源电压 480V、移动速度 400mm/min。——论文作者：张 翔 1,2 , 耿彦波 1,2 , 陈 波 1,2 , 王 峰 1 , 徐 国 1
参考文献:
[1] Growene W Queirós， Jorge Bermejo， Laura García Sanchez， et al. Improvement of the mechanical properties of 30MnB5 wear-resistant steel by subcritical annealing and water quenching[J].Improving Its LifeCycle Analysis，2018，7(5)：1-3.
[2] Mu Yanhong， Wang Baoyu， Zhou Jing， et al.Influences of hot stamping parameters on mechanical properties and microstructure of 30MnB5 and 22MnB5 quenched in flat die[J]. Journal of Central South University，2018，25(4)：736-746.
[3] 王渐灵，赵永安，吴优，等.农机刃具用钢 30MnB5 的开发[J]. 鞍钢技术，2019(6)：52-55.
[4] 邓建军，李杰，王甜甜，等. 一种合金结构用 30MnB 钢板及其生产方法：CN109852882A[P].2019-06-07.
[5] 程俊业，赵爱民，陈银莉，等.回火温度对淬火后 30MnB5 热成形钢组织与性能影响[J].北京科技大学学报，2013，35(9)： 1150-1157.
[6] 谢玲珍，王忠，冯显磊，等.中频感应淬火的 S48C 钢齿轮的弯曲疲劳性能研究[J].热处理，2019，34(4)：10-13.
[7] 吕军涛.行星架中频感应淬火的工艺研究[J].热加工工艺， 2019，48(18)：171-173.
[8] 米永峰，陈圣明，成海涛.中频感应加热顶推式热扩管工艺分析[J].钢管，2019，48(3)：9-13.
