基于金相显微镜的45#钢棒料材料的性能实验分析

基于金相显微镜的45#钢棒料材料的性能实验分析

赵婉伊 贺东海

宁波曙翔空天复合材料有限公司  浙江宁波  315000

摘要：材料微观金相组织的好坏，直接影响到材料的综合性能、耐磨性及使用寿命，得到了社会各界的广泛关注。本文以45#钢试样为例，通过淬火处理后，采用FANUC CNC数控车床将淬火后的45#钢的截面加工成平整的平面。采用手工方式，将加工完成的平整平面在试样抛光机上进行多次抛光，打磨后的材料表面在金相显微镜下进行观察。实验结果显示，当材料表面被打磨掉2μm时，在保证材料性能的前提下，材料表面的微观金相效果最好，大大提高了材料的耐磨性和综合性能。通过本实验的实施，为今后45#钢材料表面的抛光处理提供了实验基础。

关键字：微观金相组织；综合性能；45#；试样；抛光

1 引言

随着科技的进步，制造业已从传统的制造向中国创造的方向发展，因此，制造业对材料的质量要求也越来越高[1-3]。材料质量的好坏直接影响到制造产品的使用寿命、使用性能及耐磨性，是产品质量的核心影响因素之一[4,5]。材料的内部微观结构是至关重要的。

45#钢是一种常用的制造用的材料，45#钢质硬，并且具有一定的柔性，经过热处理后，可以用于大多产品零件的加工制造，另外，45#钢价格便宜，取材方便，是制造业的不二选择。鉴于45#钢的种种性能，其成为制造业的研究的重点材料之一，可以用于汽车零部件、轴类等要求不是特别高的场合，主要应用的产品如图1所示。

花艳侠[6]等利用热磨试验机、光学显微镜等设备对制造的45#的内部微观结构进行分析，发现45#钢的矫直温度在900℃以上时可以对材料的裂纹起到很好的矫正作用。张坤[7]等人通过调节淬火温度及保温时间，确保了45#钢在使用过程中不出现开裂，同时保证了45#钢的内部组织不发生变化。陈方[8]等人研究了45#钢在不同热锻温度的控制及其力学性能的研究，总结了钢材岁温度变化的力学性能的变化，探索了45#钢性能稳定时间，为 45#钢的使用及性能调配具有一定的借鉴意义。周娟[9]等人通过对45#钢的淬火工艺进行改进，将零件的冷却方式改为了双液冷却，45#钢的性能得到了大幅度提高。董凤奎[10]等研究了45#钢锯断或加工后表面开裂的情况，使用直读光谱仪(OES)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)等观察分析手段,对开裂试样进行了化学成分检测、扫描电镜分析、金相检测、硬度检测，发现造成这一问题的根源在于45#钢内部的组织结构由于在加工时发生了变化。

图1 45#钢的应用部分产品类别

本人是在前期研究的基础上，针对45#钢的性能检测进行实验。以淬火炉为45#钢的热处理设备，采用水油共冷的方式对淬火后的45#钢进行冷却。冷却后的45#钢采用FANUC CNC数控车床将其截面车平，在车的过程中，由于刀具与45#钢摩擦发热，对45#钢的表面进行硬化处理。然后将数控机床加工后的45#钢在抛光机上进行抛光处理，由于抛光的时间会对截面的内部组织引起影响，但每次抛光后都会在金相显微镜下进行观察，直至获得比较好的内部金相组织再进行停止，记录下抛光机抛光时的相关参数。通过本文的研究，为今后45#钢的加工处理提供参考，确保45#钢具有较好的使用性能。

2实验

2.1 实验仪器、材料及检测

本实验采用的淬火炉洛阳市博莱曼特试验电炉有限公司生产的型号为RKL的淬火炉，温度控制精度可达到±1℃；冷却方式采用水油共冷的方式，将淬火后的45#钢放入水油冷却液中进行冷却；冷却后的45#钢通过FANUC CNC数控车床对其截面进行加工，确保截面的平整度，以便后期进行截面抛光处理；45#钢截面的抛光处理主要采用苏州布莱特磨粒流科技有限公司生产的型号为BLT-150定档变速式抛光机；用于观察45#钢抛光后的表面形貌，采用上海无陌光学仪器有限公司生产的型号为WMJ-9960的金相显微镜。同时，45#钢的棒料（φ10mm）通过在在山东六钢金属科技有限公司购置。

2.2 实验方法

本文的实验主要是依托实验室现有的设备进行。为深入研究45#钢的整体性能及内部微观组织和表面形貌，本文采用理论研究、理论计算和实验研究相结合的方式进行，从而力求解决困扰45#钢性能的主要影响亚音速，从而获得最好的45#使用性能、耐磨性及可靠性，推动我国制造业的快速发展，降低企业生产成本，同时为实现低碳钢替代高碳钢奠定基础。本文实验的过程如下图2所示。

图2 45#性能及内部金相组织实验流程图

3 实验结果

3.1 45#钢淬火处理

45#钢是一种性能优良的碳素结构钢，具有较好的强度和抗变形能力。本文在对45#钢进行淬火处理时，正火温度采用850℃，达到850℃后，为确保45#钢被完全淬火，淬火炉保温30min。

3.2 45#钢水油共冷

一般45#钢的冷却是采用水冷的方式进行，本文为研究水油共冷的方式对45#钢性能的影响，采用了水油共冷的方式进行，由于水油是不相融的，因此在进行水油共冷时需要对冷却液不停的进行搅拌，达到水油共处的状态。45#钢冷却后，将其放在数控机床上进行截面车削。

3.3 45#钢微观形貌观察

将车削后的45#钢截面放在抛光机上进行抛光，抛光后放在金相显微镜下进行观察，若观察到的内部组织结构及表面形貌未达到理想的状态，就需要在抛光机上继续进行抛光，直至抛光到相对理想的状态。另外，为避免45#在淬火时，因外部环境因素的影响，对45#钢进行多次样品试制，尽可能降低外部影响因素对45#钢性能的研究。

4 实验结果表征

为进一步研究进行表面抛光后的45#钢的内部组织结构及表面形貌，采用金相显微镜对抛光后的截面进行观察，从而根据金相显微镜观察的结果进行优化淬火和抛光的时间及力度，分别观察了45#钢抛光2μm后最优的金相显微镜X500和X1000放大倍数下的表面形貌和组织结构，观察的结果如图3所示。

(a)45#钢截面抛光后在500倍放大下的效果图

(b)45#钢截面抛光后在1000倍放大下的效果图

图 3 45#钢截面抛光后在不同放大倍数下的效果图

从图3可以看出，45#钢在抛光2μm处理后，45#的表面形貌均匀，内部组织结构排布有序，表面光滑，未出现内部结构杂乱的情况，达到了实验要求，对今后提高45#的耐磨性和使用寿命的提高具有重要的参考价值。

5 结论

本问利用实验室现有的淬火炉对45#钢进行淬火处理；采用新型的水油共冷的方式对淬火的45#进行冷却处理；为便于抛光，采用数控机床将45#钢的截面进行平整化处理，在多次抛光处理后，进行在金相显微镜下的实验测试。实验结果发现，45#钢截面进行2μm的抛光去处材料处理后，45#钢的表面形貌及内部组织排列有序，表面结构较好，达到了45#钢耐磨性和使用寿命的要求，大大降低了生产企业的制造成本，为今后实现45#钢的替代提供了新路径和新思路。同时，弥补了市场上对45#钢性能提升的缺陷

参考文献

[1]马宏图,王常春,梁红静. 硬质材料抛光技术的研究[J]. 大学物理实验,2020,33(6):18-20.

[2] 郭世璋. 浅谈材料抛光技术[J]. 中国高新技术企业,2010(2):60-61.

[3] 刘媛,张勤俭,叶书强. 计算机仿真技术在超硬材料抛光技术中的应用[J]. 系统仿真学报,2006,18(9):2582-2584,2664.

[4] 赵坤. 论表面纳米化对金属材料耐磨性影响[J]. 江西建材,2017(20):266.

[5] 孙志平,王一三,丁义超,等. 铸造烧结VC-Fe基表面复合材料耐磨性研究[J]. 特种铸造及有色合金,2002(4):16-18.

[6] 花艳侠,骆春民. 45钢连铸坯的高温拉伸性能[J]. 理化检验（物理分册）,2023,59(6):33-35.

[7] 张坤,骆文锋,郭小童,等. 淬火温度对45钢淬火开裂的影响[J]. 机械工程材料,2022,46(3):63-67.

[8] 陈方,王小东,史永刚,等. 45钢力学性能规律的探讨[J]. 山西冶金,2021,44(6):89-90,93.

[9] 周娟. 45钢淬火工艺的改进[J]. 低碳世界,2017(24):19-20.

[10] 董凤奎,麻国晓,钟芳华,等. 45钢锯切开裂原因分析[J]. 南方金属,2020(4):49-52