熱處理工藝對(duì)40Cr鋼的性能影響對(duì)比分析

顧宏才

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 滁州 239000)

40Cr鋼具有較高強(qiáng)度、塑性和韌性,以及良好的切削加工性能,廣泛用于制造需要承受較高載荷的機(jī)械零部件.通常40Cr采用淬火加高溫回火的調(diào)質(zhì)處理,但完全淬火容易導(dǎo)致工件硬度不均勻和韌性不足等缺點(diǎn)[1].通過(guò)亞溫淬火模擬即可以減少工件熱處理畸變與開裂傾向,從而提高產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能.目前國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究[2].劉杰在已有奧氏體分解動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)驗(yàn)公式下,對(duì)低碳低合金鋼的端淬過(guò)程建立了一種預(yù)測(cè)鋼淬火時(shí)微觀組織和硬度的預(yù)測(cè)模型[3].潘偉平[4]和李輝平[5]結(jié)合淬火數(shù)值模擬和相應(yīng)試驗(yàn)對(duì)鋼淬火過(guò)程進(jìn)行研究.Elkatatny等[6]對(duì)H13鋼模具進(jìn)行高壓氣體淬火數(shù)值模擬和試驗(yàn),得到了數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.寧勤恒等[7]通過(guò)有限元軟件對(duì)NM450鋼板進(jìn)行噴水淬火模擬,得到噴水冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律.付士軍采用正交回歸試驗(yàn)方法, 研究了亞溫淬火對(duì)45鋼硬度的影響,并建立了硬度回歸方程，結(jié)果表明在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi), 亞溫淬火溫度越高、回火溫度越低, 40Cr鋼硬度越大，亞溫淬火后40Cr鋼的晶粒度小于常規(guī)淬火后的晶粒度[8].

針對(duì)40Cr鋼完全淬火和完全淬火+亞溫淬火熱處理工藝,本文通過(guò)數(shù)值模擬和熱處理試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.首先利用有限元熱處理軟件Deform-3D對(duì)40Cr鋼進(jìn)行完全淬火的數(shù)值模擬,并在完全淬火的基礎(chǔ)上進(jìn)行亞溫淬火的數(shù)值模擬；從溫度、微觀組織、殘余應(yīng)力及硬度4個(gè)角度,分析對(duì)比完全淬火和完全淬火+亞溫淬火對(duì)40Cr材料性能影響；其次利用洛氏硬度計(jì)與金相顯微鏡對(duì)熱處理試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行金相組織與硬度的檢測(cè).

1 淬火的數(shù)值模擬

1.1 模擬材料及試樣

模擬材料采用40Cr鋼,化學(xué)成分與機(jī)械性能如表1所示.將模擬試樣利用三維軟件UG建立直徑50 mm、高度30 mm的圓柱試樣.完成幾何模型建立之后導(dǎo)入到數(shù)值模擬軟件Deform-3D中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料設(shè)置、網(wǎng)格模型如圖1所示,其中網(wǎng)格單元32 000個(gè).材料設(shè)置:40Cr對(duì)應(yīng)在Defrom-3D中熱處理材料為美國(guó)牌號(hào)54100,為保證數(shù)值模擬真實(shí)性[8],首先利用直讀光譜儀金屬元素分析對(duì)40Cr鋼化學(xué)成分含量進(jìn)行實(shí)測(cè)；之后利用JMatPro軟件建立40Cr鋼的數(shù)據(jù)性能,而不采用Deform-3D中的材料.

圖1 網(wǎng)格模型

表1 40Cr鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 熱處理工藝

40Cr熱處理工藝如圖2所示.首先對(duì)40Cr鋼加熱至AC3以上溫度860 ℃保溫2 h后放入油中進(jìn)行完全淬火,試樣模型在完全淬火后,繼續(xù)升溫至AC1～AC3中765 ℃下保溫2 h后,再次浸入油中進(jìn)行油淬10 min.其中40Cr在油中淬火表面換熱系數(shù)如圖3所示.

圖2 40Cr熱處理工藝

圖3 40Cr鋼在淬火油中的表面換熱系數(shù)

1.3 數(shù)值理論

對(duì)于軸對(duì)稱零件在進(jìn)行熱場(chǎng)模擬涉及相變潛熱的傳導(dǎo)方程,根據(jù)Fourier[9]定律公式為

(1)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);T為溫度;qv為單位體積引起的相變潛熱;ρ為密度;cp為比熱容;t為時(shí)間.

在淬火傳熱過(guò)程中,定義對(duì)流換熱邊界條件[10-11]為

(2)

式中:n為曲面法向;H為對(duì)流換熱系數(shù);Tw為零件初始溫度;Tf為冷卻介質(zhì)溫度.

2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1 溫度的變化

由圖4完全淬火溫度分布云圖可知:當(dāng)40Cr鋼試樣放入油中進(jìn)行油淬,表面冷卻速度最快,心部最慢.在60 s時(shí),試樣表面迅速冷卻到298 ℃，心部為860 ℃,溫差達(dá)到562 ℃;在60 s時(shí)試樣表面冷卻而心部未開始冷卻;隨著淬火時(shí)間增加到200 s時(shí),試樣表面繼續(xù)冷卻到169 ℃,心部溫度開始冷卻到816 ℃;當(dāng)淬火時(shí)間在500 s時(shí),表面和心部溫度分別為43.5 ℃和155 ℃,內(nèi)外相差111.5 ℃,當(dāng)淬火溫度在560 s時(shí)表面和心部溫度都為30 ℃,即在560 s時(shí)表面和心部溫度停止變化.

在40Cr鋼完全淬火的基礎(chǔ)上,對(duì)其材料進(jìn)行亞溫淬火.由圖5可知：亞溫淬火的溫度分布云圖與圖4中完全淬火溫度分布云圖一樣,表面冷卻快,心部冷卻慢,且在560 s時(shí)表面和心部都達(dá)到了淬火溫度30 ℃.對(duì)比與圖4和圖5可以看出:在200 s之前,亞溫淬火的冷卻速度比完全淬火快,200～500 s時(shí)亞溫淬火冷卻速度低于完全淬火.

2.2 微觀組織的變化

由圖6可知:40Cr在完全淬火60 s之前時(shí),試樣微觀組織沒發(fā)生變化;時(shí)間到200 s時(shí)試樣表面馬氏體含量最高為0.915,處于試樣的邊緣區(qū)域,心部馬氏體含量也未發(fā)生變化;當(dāng)淬火時(shí)間到500 s時(shí),表面馬氏體含量0.957且表面全部馬氏體化,而心部馬氏體含量為0.761,表面和心部馬氏體含量相差0.196;隨機(jī)時(shí)間繼續(xù)增加到560 s時(shí)表面馬氏體含量與500 s時(shí)相同說(shuō)明表面組織變化停止,心部馬氏體含量繼續(xù)增加到0.772,馬氏體表面和心部含量相差0.185.

從圖7亞溫淬火馬氏體分布云圖可知:在200 s之前,亞溫淬火下表面和心部馬氏體的含量與完全淬火時(shí)相同,組織未發(fā)生改變;在500 s時(shí)試樣表面未發(fā)生改變,心部由完全淬火后的0.772增加到亞溫淬火的0.786;淬火時(shí)間繼續(xù)增加到560 s,表面馬氏體含量為0.957依然未發(fā)生改變,而心部含量從500 s的0.786增加到0.799.

圖4 40Cr鋼在完全淬火過(guò)程中溫度分布云圖

圖5 40Cr鋼在亞溫淬火溫度分布云圖

圖6 40Cr鋼在完全淬火過(guò)程中馬氏體分布云圖

圖7 40Cr鋼在亞溫淬火馬氏體分布云圖

2.3 殘余應(yīng)力的變化

由圖8(a)中殘余應(yīng)力變化可知:完全淬火下40Cr在心部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.隨著淬火時(shí)間從0 s增加到300 s時(shí),心部殘余拉應(yīng)力不斷增加,到300 s時(shí)殘余拉應(yīng)力達(dá)到最大798 MPa;淬火時(shí)間繼續(xù)增加300 s后心部殘余拉應(yīng)力下降到151 MPa.表面殘余應(yīng)力從0 s開始增加,到150 s時(shí)到達(dá)最大殘余壓應(yīng)力-416 MPa,隨著完全淬火時(shí)間增加殘余壓應(yīng)力開始下降,到600 s淬火停止時(shí)殘余試樣模型表面最大殘余壓應(yīng)力為-215 MPa.

(a) 完全淬火 (b) 亞溫淬火圖8 殘余應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

由圖8(b)中可知,試樣模型在開始亞溫淬火開始時(shí)表面殘余應(yīng)力為300 MPa的拉應(yīng)力,隨著淬火時(shí)間增加表面的殘余應(yīng)力在150 s時(shí)由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,在0～350 s時(shí)殘余應(yīng)力迅速下降到最大壓應(yīng)力-437 MPa,淬火時(shí)間繼續(xù)增加,殘余應(yīng)力在500 s時(shí)達(dá)到-216 MPa,隨后開始平穩(wěn)保持不變.由圖8(b)心部殘余應(yīng)力可知,開始試樣心部殘余壓應(yīng)力從開始時(shí)的-251 MPa迅速的增加到250 s時(shí)的461 MPa,隨后淬火時(shí)間增加心部最大殘余拉應(yīng)力保持不變.

2.4 硬度變化

圖9為完全淬火和完全淬火+亞溫淬火40Cr硬度云圖.從圖9(a)和(b)可知:完全淬火最大表面硬度為44.1 HRC,心部最小為39.8 HRC,在完全淬火的基礎(chǔ)上進(jìn)行亞溫淬火40Cr表面的硬度增加到44.5 HRC,心部增加到40.9 HRC.對(duì)比圖9中的(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn),在心部區(qū)域的硬度只增加,范圍也比完全淬火后廣.

(a) 完全淬火 (b) 完全淬火+亞溫淬火圖9 40Cr硬度云圖

3 熱處理試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

利用高溫箱式電阻爐對(duì)40Cr鋼進(jìn)行完全淬火和完全淬火+亞溫淬火熱處理.熱處理后的試樣分別進(jìn)行硬度測(cè)定、金相顯微組織觀察.首先通過(guò)線切割設(shè)備對(duì)不同熱處理試樣進(jìn)行切割,并打磨拋光成鏡面,再通過(guò)4%的硝酸酒精溶液腐蝕表面,利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察.其次按照《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》(GB/T230.2—2012)的要求,采用TIMETH300型洛氏硬度計(jì)測(cè)試各試樣硬度,載荷150 kg,保荷時(shí)間10 s,每種試樣測(cè)量3個(gè)硬度點(diǎn),取均值作為硬度測(cè)量結(jié)果[12].

3.2 微觀組織

圖10為熱處理工藝金相圖,圖10(a)為860 ℃完全淬火的微觀組織為中等針狀淬火馬氏體,由于加熱溫度適當(dāng),奧氏體合金化充分;圖10(b)為860 ℃完全淬火后+765℃亞溫淬火微觀組織為細(xì)小針狀馬氏體,亞溫淬火能夠得到極細(xì)的奧氏體晶粒，有利于晶粒的細(xì)小化.

圖10 熱處理工藝金相圖(放大倍數(shù)500倍)

3.3 硬度分析

根據(jù)硬度檢測(cè)與圖9數(shù)值模擬硬度云圖,繪制表2試樣試驗(yàn)與數(shù)值模擬硬度.從表2可以看出：完全淬火與完全淬火+亞溫淬火表面硬度大于芯部,與數(shù)值模擬中微觀組織變化吻合,表面馬氏體不變芯部變多.試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到硬度數(shù)值相差不大，誤差在5%以內(nèi),說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致.

表2 試樣試驗(yàn)與數(shù)值模擬硬度 HRC

4 結(jié)論

通過(guò)熱處理工藝試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)40Cr進(jìn)行完全淬火和完全淬火+亞溫淬火，微觀組織分別為針狀馬氏體和細(xì)小馬氏體;在硬度上:試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到硬度接近表面和心部誤差在5%以內(nèi),且表面硬度變化低于1 HRC,而心部變化超過(guò)1 HRC.