第１期（总第１５８期） 机械工程与自动化 Ｎｏ．１ ２０１０年２月 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ Ｆｅｂ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１０）０１—０１２３—０２ ４０Ｍｎ ２钢的热处理工艺研究 匡利华，付建华 （太原科技大学，山西 太原０３００２４） 摘要：通过不同的热处理工艺研究了４０Ｍｎ２钢的显微组织和力学性能的变化，得出了４０Ｍｎ２钢随淬火温度和 回火温度不同而引起其显微组织和力学性能的变化情况。因此在进行热处理时可通过严格控制淬火温度和回 火温度以得到想要的组织和力学性能。 关键词：４０Ｍｎ２钢；热处理；研究 ・ 中图分类号：ＴＧ１６２ 文献标识码：Ａ ０ 引言 ２．１ 回火温度对４０Ｍｎ２钢性能和组织的影响 ４０Ｍｎ２钢广泛用于制造重负荷条件下工作的零 实验用钢的化学成分为：Ｃ的质量分数 ｃ为 件，如轴、曲轴、车轴、活塞杆、蜗杆、杠杆、连杆、 ０．３５ ～０．４４％，Ｍｎ的质量分数 为１．４Ｏ ～ 螺栓、螺钉、加固环、弹簧以及其他调质件。４０Ｍｎ２钢 １．８Ｏ％， ｓｉ为０．２０ ～Ｏ．４０％，Ｗｓ和 Ｐ均≤０．０２。 是一种中碳锰钢，钢的强度、塑性和耐磨性都较高，可 不同热处理时，４０Ｍｎ２的显微组织和力学性能见表３。 切削性及热处理工艺性能亦好。但存在回火脆性和过 表２ ４０Ｍｎ２的机械性能指标 热敏感性，而且淬火时易于开裂。山西电力设备厂用 抗拉强度 屈服强度巩 断后延 断面收 冲击吸 硬度（退 ４０Ｍｎ２钢制作细碎机的衬板，由于硬度不高，耐磨性 ＭＰａ ＭＰａ 伸率 ５ 缩率 收功以 火状态）１ ＨＢ 不好，容易开裂，造成了一定的经济损失。因此通过 ≥８８５ ≥７３５ ≥ｌ２ ≥４５ ９５５ ≤２ｌ７ 不同的热处理工艺对其性能进行进一步研究。 表３ ４０Ｍｎ２钢的热处理工艺、显微组织和力学性能 １ ４０Ｍｎ２钢的化学成分和力学性能指标 序号 热处理工艺 显微组织 硬度 抗拉强度 ４０Ｍｎ２的化学成分见表１。其化学成分主要以 ＨＶ ＭＰａ Ｆｅ、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ为主，含有微量的Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、 ｌ ８３０℃水淬＋２００℃回火 回火马氏体＋ ５２９ ｌ ９５０ Ｐ、Ｓ等元素。４０Ｍｎ２钢是在普通结构钢中加入锰元 少量碳化物 ２ ８３０℃水淬＋４００ Ｃ回火 回火屈氏体 ３７６ １ ２５０ 素，使其对组织中的铁素体有显著的强化，从而提高 ３ ８３０℃水淬＋６００℃回火 回火索氏体 ２３８ ７６Ｏ 了钢的强度，同时它还具有良好的强韧性。锰可降低 ４ ８３０℃加热４００℃等温回火 贝氏体． ２７７ ９１０ 钢的临界点，促进马氏体的形成；锰还是弱碳化物形 回火主要是使淬火后得到的不稳定组织转变为稳 成元素，在平衡状态下，４０Ｍｎ２钢中锰只有小部分形 定组织，降低淬火应力以及提高耐磨钢的塑韧性，使 成渗碳体，大部分溶于铁素体中，对铁素体起固溶强 耐磨钢淬火后具有高的硬度和耐磨性。在８３０ Ｃ淬火 化作用；它可使共析温度降低，使珠光体分散度增加， 后，分别在２００℃、４００ Ｃ、６００℃回火，从表３可以看 细化珠光体组织，有利于钢的强度提高。 出不同的热处理工艺，４０Ｍｎ２钢显微组织不同，力学 表１ ４０Ｍｎ２钢的化学成分（质量分数） 性能不同。随着回火温度的升高，硬度降低。 Ｃ Ｓｉ Ｍ“ Ｐ、Ｓ Ｃｒ Ｎｉ ＭＯ ＣＵ 耐磨性和硬度与回火温度的关系见图１。在回火 ０．３７～ ０．１８～ １．４Ｏ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 状态耐磨性基本上正比于硬度。与Ｅ．Ｒａｂｉｎｏｗｉｃｚ方程 ０．４４ Ｏ．３７ １．８Ｏ ０．０３５ ０．３０ ０．３Ｏ ０．１５ ０．３０ １厂 Ｄ ４０Ｍｎ２的机械性能指标见表２。 Ｗ一 一Ｋ・ （其中：Ｗ为磨损率；Ｖ为材料磨损掉 上 』Ｊ ２不同热处理时４０Ｍｎ２的显微组织和力学性能 的体积，ｍｍ。；Ｌ为滑动距离，ｍｍ；Ⅳ为材料硬度；Ｐ 收稿日期：２００９—０５一ｌ１；修回日期：２００９—０８—２１ 作者简介：匡利华（１９８３一），女，四川安岳人，在读硕士研究生，主要研究方向为材料精密成形技术。 ・１２４・ 机械工程与自动化 ２０１０年第１期 为施加载荷，Ｎ；Ｋ为系数）相符。在２００ Ｃ回火，得到 的回火马氏体具有良好的机械性能，硬度和耐磨性都 比较高。 火温度为３００ Ｃ的热处理工艺及得到的组织。随着淬 火温度的升高，显微组织和力学性能发生变化。８３０ Ｃ 淬火组织为孪晶马氏体和位错马氏体的混合组织，且 孪晶马氏体占多数。９００ｒＣ淬火全部为位错马氏体。 ９５０Ｃ淬火为晶粒粗大的位错马氏体。淬火温度的不同 使４０Ｍｎ２钢显微组织有明显变化，这是因为加热温度 ： 士 的提高使奥氏体中碳充分扩散而均匀化的结果。在 ８３０Ｃ淬火后组织转变为孪晶针状马氏体和位错马氏 体，提高淬火加热温度可使位错马氏体数量显著增加。 提高淬火温度得到位错马氏体有助于提高钢的强韧 性。同时奥氏体化温度提高，增加奥氏体的稳定性，在 图１ 耐屠性和硬度与回火温度的关系 回火组织中会残留少量的残余奥氏体，韧性增加。但 淬火温度提高到９５０Ｃ时，虽然得到的是位错马氏体， 但晶粒粗大。因为锰是促进钢晶粒长大、增加过热敏 感性的元素，使钢容易过热。图２为不同淬火温度下 ４ＯＭｎ２钢的显微组织。 表４ ４０Ｍｎ２钢的热处理工艺和显微组织 序号 热处理工艺 显微组织 等温淬火的４号钢具有贝氏体组织，具有优良的 综合力学性能，也具有很高的耐磨性，耐磨性比硬度 较高的２号钢还高。贝氏体组织的内应力一般低于马 氏体组织，在外加负载荷和相对运动的磨粒磨损过程 中，组织中残余内应力越大，裂纹越容易扩散，促使 磨损加速，因此贝氏体组织具有比相同硬度的回火马 氏体组织好的耐磨性。 ２．２不同淬火温度４０Ｍｎ２钢的显微组织 ５ ６ ７ ８３０’Ｃ淬火＋３００Ｃ回火 ９００ Ｃ淬火＋３００℃回火 ９５０Ｃ淬火＋３００℃回火 孪晶马氏体＋位错马氏体 位错马氏体 位错马氏体（晶粒粗大） 、 表４为淬火温度分别为８３０ Ｃ、９００ Ｃ、９５０ Ｃ，回 （ａ）８３０￣Ｃ淬￣＋３００￣Ｃ回火 （ｂ）９００￣Ｃ淬火＋３００￣Ｃ回火 （ｃ）９５０￣Ｃ淬火＋３００￣Ｃ回火 图２ ４０Ｍｎ２钢的显微组织 ６００× 淬火温度对性能的影响是：淬火温度低于９００ＩＣ， 随淬火温度升高，硬度升高；之后随淬火温度升高，硬 ６００。。Ｃ转变为回火索氏体，硬度和耐磨性都下降。 （３）淬火温度升高，４０Ｍｎ２钢中的碳充分扩散而 度反而下降。这是因为淬火温度较低时，溶于高温奥 氏体中的碳和合金元素少，淬火组织中除了马氏体组 织外，还有少量珠光体组织出现；淬火温度过高，溶 入高温奥氏体中的碳和合金元素增多，奥氏体稳定性 增强，淬火组织中有部分残留奥氏体存在，因此硬度 反而下降。 ３ 结束语 均匀化，合金元素溶入奥氏体中，得到细小的板条马 氏体，使强韧性提高，但温度过高，当升高到９５０ Ｃ时， 由于钢中锰含量高，钢热裂倾向增大，晶粒粗大。 参考文献： ［１］柴增Ｅｌ，于立国．多元低合金耐磨钢的热处理工艺与研究 ＥＪ］・中国铸造装备与技术，２００４（５）：２７—２９． （１）硬度是决定耐磨性的主要参数，对于钢来说， ［ ］齐 ，周惠久，黎永钧・淬火态低碳马氏体中的残余奥 基体组织对耐磨性的影响顺序是：铁素体、珠光体、贝 氏体和马氏体逐次递增，由于马氏体硬度最高，故最 高耐磨性属于马氏体及回火马氏体，但若硬度相同时， 、 Ｅ３］刘志学，与自回火碳化物［Ｊ］・金属热处理学报， 程巨强．热处理对２ｏｃ Ｍ ２ｓｉ２Ｍ。耐磨钢板组织 ，和性能的影响［Ｊ］．材料热处理技术．２０¨Ｏ８．３７（２４）：９４—９６． 等温转变的下贝氏体比回火马氏体好得多。 ［４］Ｈ ｂｉｈＨ Ｋ．材料的磨损与硬度［Ｍ］严立，译．北京：机械 （２）４０Ｍｎ２钢淬火后，随着回火温度的提高，组 织由回火马氏体转变为回火屈氏体，温度继续上升到 工业出版社，１９８７． （英文摘要转第１３０页） ・１３Ｏ・ 机械工程与自动化 ｌ，，目４Ｊ １ ０ １ ２０１０年第１期 和均方差见表１。 从图１和表１中可以看出，三种阈值函数对仿真 信号去噪后，都能检测到信号的发生时间和特征频率； 暑 昌 ＼ 但是新阈值函数得到的去噪信号的信噪比比软、硬阈 值函数的更高，均方差也更小。 表１ 各种方法的信噪比Ｒｓ 和均方差ＥＭｓ 对比指标 ＲＳＮ（ｄＢ） ＥＭＳ 罂 硬阈值 ｌ１．１６５ ７ ０．１６０ ８ 软阈值 ｌ４．７４６ ｌ ０．２７２ ４ 新阈值 ｌ７．３４０ ３ ０．１２９ ９ 采样点数 （ａ）原始信号 通过实验结果可以看出，小波分析在振动信号的 去噪过程中取得了良好的效果。小波去噪根据信号和 重 ＼ 噪声的不同特性进行非线性滤波，并且具有很好的时 间分辨率，特别适用于时变信号和突变信号的去噪，能 取得比传统去噪方法更好的效果。 采样点数 （ｂ）噪声信号 警 蠼 参考文献： ［１］Ｓｔｅｐｈａｎｅ Ｍａｌｌａｔ．Ａ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｏｕｒ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ［Ｍ］．Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ：Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９９８． ＼、 重 坚 ［２］Ａｌｂｅｒｔ Ｂｏｇｇｅｓｓ．小波与傅立叶方法基础［Ｍ３．康健，译． 北京：电子工业出版社，２００５． 采样点数 （ｅ）软闽值去噪 ［３］Ｃ Ｓｉｄｎｅｙ Ｂｕｒｒｕｓ．小波与小波变换导论［Ｍ］．程正兴，译． 北京：机械工业出版社，２００８． Ｅ４３崔华，宋国乡．基于小波阚值去噪方法的一种改进方案 ［Ｊ］．现代电子技术，２００５，２８（１）：８－９． ０ １０ｏ ２ｏｏ ３００ 柏０ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ １ ０００ ［５］董长虹．Ｍａｔｌａｂ小波分析工具箱原理与应用［Ｍ］．北京： 国防工业出版社，２００４． 采样点数 （ｄ）硬阂值去噪 毒 １ ＼ ［６］ Ｊ Ｃ Ｂｅｉｄｌｅｍａｎ，Ａ Ｅ Ｓｐｅｎｃｅｒ．Ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｉｎｄｅｘ ｏｆ 坚．０ １ ０ ｍａｘｉｍａｌ ｓｕｂｇｒｏｕｐｓ ｉｎ ｆｉｎｉｔｅ ｇｒｏｕｐｓ ＥＪ］．Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｊ Ｍａｔｈ， １９７２，１６９（１）：９５—１Ｏ１． １００ ２（３０ ３ＯＯ ４００ 印０ ６００ ７００ ８００ ９００ １ ０００ 采样点数 （ｅ）新阈值去噪 图１各种阈值去噪波形 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ０ｆ Ｗａｖｅｌｅｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ ＨＵ Ｊｕｎ—ｗｅｎ。ＺＨ０Ｕ Ｇｕｏ—ｒｏｎｇ ．（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ａｒｅ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｎｏｉｓｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ，ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗａｖｅｌｅｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｎｏｉｓｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａ１．Ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＭＡＴＬＡＢ．Ｓｏｍｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ａｂｏｕｔ ｗａｖｅｌｅｔ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｔ ｌａｓｔ． ● Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ；ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＩＩＩ，，ｌ’＇ｌ’， ，’ｌ＇，，＇ＩＤｌｅ，’，＇’＇＇，，＇，－＇’＇’ ，＇ ，＇’’＇，＇’ｌ＇＇’’＇，’＇＇＇＇，ｌ，，●，， ，＇ｌ’＇ｌ＇’，＇＇，＇＇，，ｍ，＇＇，，，＇’ｌ’＇，’，，’＇， （上接第１２４页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ４０Ｍｎ２ Ｓｔｅｅｌ ＫＵＡＮＧ Ｌｉ—ｈｕａ，ＦＵ Ｊｉａｎ—ｈｕａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ４０Ｍｎ２ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｇｏｔｔｅｎ．Ｗｅ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｉｃｔｌｙ ｔｏ ｇｅｔ ｗａｎｔｅｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：４０Ｍｎ２ ｓｔｅｅｌ；ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｒｅｓｅａｒｃｈ
