40Cr鋼少無畸變熱處理技術研究

王琛孝，陳金榮，范紅山

重慶建設工業(yè)（集團）有限責任公司熱表公司 重慶 402260

1 序言

熱處理的主要任務是使鋼鐵零件獲得力學性能所需要的金相組織。但在通過熱處理工藝手段獲得所需的金相組織的同時，卻產(chǎn)生了人們所不希望的變形情況。工件的淬火變形是當今熱處理行業(yè)乃至機械制造行業(yè)的重大難題。說它“難”，一是指變形問題“太復雜”和“牽涉面太廣”，從零件設計、鋼材品種及其質(zhì)量、冷熱加工和人為因素，到熱處理生產(chǎn)的各個細節(jié)，都可能成為淬火變形的影響因素；二是指其幾乎“無規(guī)律可循”。雖然解決淬火變形問題的措施很多，但效果“時靈時不靈”，常讓人無所適從。因此，如何減少熱處理變形、提高使用壽命，仍是熱處理工作者的一項重要研究課題。

我公司生產(chǎn)的某特種產(chǎn)品中有一個關鍵件，材料為40Cr鋼，要求硬度40～48HRC，熱處理后尺寸要求如圖1所示。零件要在相當高的沖擊載荷、冷熱反復交替的環(huán)境下工作，應具備高強度和韌性配合。其加工流程：下料→壓力加工→預備熱處理→機加工→熱處理→裝配。零件的最終熱處理是在成品下進行，形狀復雜不對稱，零件每個位置的厚度不均，熱處理后主要尺寸不再進行機械加工，即未給予熱處理分配尺寸公差。零件熱處理變形后通過校正方法挽救難度大，報廢率高，因此在保證零件使用性能的前提下，如何控制零件的熱處理變形，是制定熱處理工藝的關鍵之一。由于下貝氏體組織的突出特點是沖擊韌度、斷裂韌度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性好，表面殘余壓應力[1]，因此在目前的熱處理工藝條件下，采用下貝體等溫淬火工藝是最佳選擇。

圖1 某關鍵主件結(jié)構(gòu)

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

（1）40Cr鋼的化學成分 40Cr 是具有一定淬透性和較好綜合力學性能的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應用于制造各種機器零件。根據(jù) GJB 2720—1996《輕武器用結(jié)構(gòu)鋼鋼棒規(guī)范》 的規(guī)定，40Cr鋼的化學成分見表1。

表1 40Cr鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

（2）40Cr鋼的合金化 Cr在鋼中可以形成碳化物或溶入鐵素體。經(jīng)過奧氏體化后，溶入奧氏體中的Cr能降低碳的擴散速度，延長過冷奧氏體的孕育期，也就是減緩奧氏體的分解速度，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖和奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖右移，從而提高鋼的淬透性[2]。根據(jù) 40Cr鋼中的C、Cr含量估計，Cr生成的碳化物主要是(Fe、Cr)3C，在偏析的高濃度區(qū)，也可能有少量的(Cr、Fe)7C、(Cr、Fe)23C6。Cr在鋼中對奧氏體轉(zhuǎn)變的影響，只有當Cr溶入奧氏體后才是有效的，如果存在大量未溶碳化物，Cr的作用就不可能充分發(fā)揮出來。

C r對鐵素體的固溶強化作用十分微弱，在鋼的力學性能方面，Cr主要通過提高淬透性和回火穩(wěn)定性間接作出貢獻。淬透性的提高，使得在較大截面上也能獲得均勻的淬火組織；回火穩(wěn)定性的提高，可以在不降低強度的情況下，采用較高的回火溫度，以提高塑性和韌性。Cr有促進回火脆性的作用，并可提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，但在Cr含量不高時，這種作用尚不十分顯著。

（3）40Cr鋼的相變特點和組織形態(tài)

1）加熱相變：40Cr鋼的Ac1約為743℃、Ac3約為782℃、Ms點330℃。在實際生產(chǎn)中，奧氏體化溫度常采用840～860℃，以充分均勻化。含Cr的碳化物不易溶解，加熱不足時，可能有少量碳化物殘留。

2）冷卻相變（過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變）：根據(jù)40Cr鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖（見圖2）可知[3]，在Cr的作用下，圖中的珠光體和貝氏體兩個轉(zhuǎn)變區(qū)分離，使得 470～630℃區(qū)間的轉(zhuǎn)變速度減慢，轉(zhuǎn)變過程延長。過冷奧氏體在Ar3～Ar1區(qū)間等溫停留，可生成先共析鐵素體，但轉(zhuǎn)變不可能進行完畢，隨著鐵素體量的增加，奧氏體也趨于穩(wěn)定。Ar1～530℃為鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，奧氏體發(fā)生先共析鐵素體轉(zhuǎn)變，然后分解為珠光體。530℃至Ms點（330℃）附近，為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有粒狀貝氏體、上貝氏體和下貝氏體。等溫溫度＞450℃時，主要為粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，而在330～360℃時，則主要為下貝氏體轉(zhuǎn)變。由于各種貝氏體轉(zhuǎn)變沒有嚴格的溫度界限，在貝氏體區(qū)等溫轉(zhuǎn)變后，往往得到幾種貝氏體的混合組織。＜330℃時，進入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，奧氏體在馬氏體區(qū)等溫停留，繼部分馬氏體轉(zhuǎn)變后將發(fā)生部分下貝氏體轉(zhuǎn)變，等溫溫度越高，下貝氏體量越多[4]。

圖2 40Cr鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

2.2 試驗方法

（1）40Cr鋼貝氏體等溫淬火工藝的制定 將鋼制工件加熱奧氏體后，淬入熱浴中保溫足夠時間，使全部或部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，隨后空冷到室溫的熱處理工藝，稱為貝氏體等溫淬火。

（2）設備及淬火冷卻介質(zhì)

1）淬火加熱：可根據(jù)不同材料和零件特點，采用中性鹽浴爐或可控氣氛爐。

2）等溫淬火冷卻介質(zhì)：等溫淬火介質(zhì)有硝鹽、金屬浴（如鉛?。┖土鲬B(tài)爐，但通常使用等溫淬火介質(zhì)是45%NaNO2+55%KNO3硝鹽浴。因為使用硝鹽浴具有較高的經(jīng)濟性和環(huán)保性，鹽浴本身的流動性、穩(wěn)定性、均勻性好，適合于連續(xù)生產(chǎn)線。硝鹽沒有老化、分解的問題，也不存在淬火冷卻介質(zhì)使用一定時間后的廢棄問題，可以回收反復使用：零件熔鹽淬火清洗后，進行鹽水分離，被帶出的鹽可100%回收利用，做到零排放。另外，產(chǎn)品質(zhì)量好，硝鹽的冷卻速度可以通過調(diào)節(jié)水含量進行控制（介于熱油冷卻度速和4倍油速之間)，十分簡單方便。熔鹽淬火過程中沒有蒸汽膜階段，高溫區(qū)冷卻速度很快，但在低溫區(qū)等溫時冷卻速度近乎為零，工件變形小，且保證了零件力學性能的一致性[5]。目前，國外一些發(fā)達國家使用鹽浴淬火工藝已經(jīng)很普遍。

（3）淬火加熱溫度 對于40Cr鋼來說，與一般的淬火相同，可根據(jù)具體零件的尺寸、形狀、硬度和變形量的要求，在 820～870℃之間選擇。在零件有效厚度較大、硬度要求較高時，為了增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，以避免冷卻過程中珠光體的形成，使等溫淬火易于進行，常將奧氏體化溫度適當提高，取溫度的上限；反之則取下限。零件在保證性能的前提下，為了盡量減小熱應力，最大限度地減少淬火變形，淬火溫度要取下限。

（4）等溫溫度 根據(jù)40Cr鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖（見圖2）可知，40Cr鋼等溫淬火的等溫溫度通常選擇330～360℃，等溫淬火后的硬度是40～48HRC。具體的溫度應根據(jù)零件形狀、尺寸、硬度及變形要求等選擇。若等溫溫度高，則熱處理后硬度低、變形量小。對于同一零件，為了保證零件質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性[6]，等溫溫度的波動越小越好，一般不超過5℃。等溫槽溫度均勻性必須保證在±6℃范圍內(nèi)或更高。

（5）等溫時間 等溫時間的選擇取決于鋼材的成分、工件的尺寸與形狀、等溫溫度等因素。對于采用結(jié)構(gòu)鋼制造的機器零件，等溫時間應能保證盡可能多的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，以獲得良好的力學性能的組合[7]。其具體的等溫時間則應通過試驗測定。根據(jù)40Cr鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖可知，在330～360℃之間下貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束的時間≤20min，但在實際工程應用中，等溫時間通常取30min。

（6）回火 零件經(jīng)等溫淬火后一般無需進行回火，對于性能要求較高的零件，等溫淬火同樣需要回火，回火溫度一般低于等溫溫度，在200℃左右補充回火一次[8]?；鼗鸬哪康氖鞘关愂象w轉(zhuǎn)變不完全,隨后生成的馬氏體重新加熱獲得回火馬氏體，并促進淬火后的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變，使淬火后所得各種組織的性能均勻[9]，回火同樣有穩(wěn)定尺寸的作用。

2.3 等溫淬火工藝

（1）工藝設備 工藝在 P300 的底裝料立式多用爐生產(chǎn)線（見圖3）上進行。生產(chǎn)線的組成：加熱爐、鹽冷淬火槽、水冷淬火槽、油冷淬火槽、加熱爐、油清洗機、鹽清洗機、兩臺低溫回火爐、兩臺高溫回火爐及爐外運輸料車。

圖3 底裝料爐生產(chǎn)線

（2）工藝流程 裝夾→清洗→淬火加熱→硝鹽等溫淬火→清洗→回火→下架。

（3）工藝參數(shù)

1）裝夾：夾具是模塊式設計結(jié)構(gòu)，可按被熱處理零部件的高度分別組合成多層的結(jié)構(gòu)進行吊掛或盛放。批量裝爐方式：分層垂直懸掛方式。用φ4.5mm的鋼條穿過零件 5mm×8mm的方孔，然后鋼條架在網(wǎng)格凈空為32mm×32mm的格柵上，格柵中間的8個孔不裝零件。采用分三層懸掛（見圖4）方式，每層100件，每爐裝爐量為300件。

圖4 裝爐方式

2）前清洗在La2油清洗機上進行。

3）加熱及保溫：11Cg（φ500mm×700mm）電加熱式底裝料立式加熱爐，氣氛系統(tǒng)采用氮＋甲醇可控氨基保護氣氛，加熱溫度（840±10）℃，保溫為40min。

4）等溫淬火：3B電加熱硝鹽槽，淬火冷卻介質(zhì)為德潤寶AS135等溫淬火鹽，配方為45%NaNO2＋55%KNO3，溫度為（350±5）℃，進槽后快速攪拌冷卻3min，然后慢速攪拌冷卻27min，再出爐空冷15min。

5）清洗：La3鹽清洗機，以去除零件及裝具上的殘留硝鹽。

6）回火：5 E 低溫回火爐，回火工藝為（200±20）℃ ×2h，出爐空冷。

7）檢測硬度及變形量。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

進行了一爐300件工藝摸底，試驗前100%檢查了尺寸21.2H12、底平面平面度0.1mm、φ16mm 同軸度0.04mm 共3個尺寸，選擇3個尺寸全部合格的零件按上述工藝進行熱處理。

（1）硬度 100%檢測，結(jié)果見表2。

表2 硬度檢測結(jié)果

（2）尺寸 100%檢測，結(jié)果見表3。

表3 尺寸檢測結(jié)果

（3）顯微組織 等溫淬火后的金相組織如圖5所示。

圖5 等溫淬火后的金相組織

從圖5a中可看出，40Cr鋼在（350±5）℃等溫淬火后，其組織結(jié)構(gòu)均勻，是由鐵素體和碳化物組成的下貝氏體組織。從圖5b可看出，顯微組織呈黑色針狀或竹葉狀，并呈細小、彌散短條狀排列[10]。

（4）使用壽命 裝配后經(jīng)3000次使用壽命試驗，零件無破斷、變形，完好無損。

3.2 等溫淬火特點

1）與普通淬火-回火（中低溫回火）相比，在同樣的硬度條件下沖擊韌度好。

2）經(jīng)等溫淬火后，組織結(jié)構(gòu)均勻，內(nèi)應力很小，顯微和超顯微裂紋產(chǎn)生的可能性很小，其疲勞強度可大大增加，從而在很大程度上延長了零件的使用壽命。

3）由于等溫淬火可縮小溫差，減小熱應力，且組織轉(zhuǎn)變成下貝氏體，減小了比容變化，即減小了因體積膨脹而產(chǎn)生的組織應力，熱應力和組織應力都大大減小，因此變形量小，甚至可達到無淬火變形，因而等溫淬火很適用一些精密的結(jié)構(gòu)零件。

4）對于性能要求較高的零件，等溫淬火同樣需要回火，回火溫度一般低于等溫溫度，回火的目的是因貝氏體轉(zhuǎn)變不完全，從而使隨后生成的馬氏體重新加熱獲得回火馬氏體，并促進淬火后的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變，使淬火后所得各種組織的性能均勻。另外，回火同樣有穩(wěn)定尺寸的作用。

5）等溫槽的溫度較高時，冷卻能力低，對于硬化性能較差的零件，很可能當零件尚未冷卻到等溫溫度時，過冷奧氏體就部分發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變，因此用等溫淬火的零件大小要受到限制。

3.3 預備熱處理

預備熱處理的作用是得到細小、均勻的組織，為淬火作準備。40Cr鋼的預備熱處理有退火、正火和調(diào)質(zhì)。生產(chǎn)實踐表明，40Cr鋼等溫淬火時，為了盡可能減少變形，調(diào)質(zhì)作為預備熱處理是最佳的方式。

3.4 等溫淬火應注意事項

1）必須嚴格控制等溫槽的溫度，一般應控制在±5℃范圍內(nèi)。

2）零件在加熱時加熱的吊掛或裝爐的方法，要防止因零件吊掛不當及自重而造成的變形。

3）40Cr鋼等溫淬火工藝參數(shù)理論和實際存在一定的差異。

4 結(jié)束語

1）40Cr鋼等溫淬火工藝的制定，應根據(jù)材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線、零件的性能要求，通過試驗制定出較為合理的等溫溫度和等溫時間。

2）對于40Cr鋼制形狀復雜、尺寸較小（有效厚度≤10mm)、要求變形量小，以及處理后要求具備高強度和韌性配合的重要零件，在目前的熱處理工藝條件下，淬火工藝是最合適的。

3）最優(yōu)化的熱處理工藝不可能是千篇一律的，同種材料的各項性能都會因熱處理方法及其工藝參數(shù)的不同而改變，各項性能指標又常會此消彼長。

4）選擇合適的熱處理工藝參數(shù)、獲得與工件的使用狀況和失效方式相適應的最佳綜合性能，才有可能制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

5）正確的裝夾方式和裝爐量，是保證零件熱處理過程加熱、冷卻均勻的前提，也是保證零件熱處理質(zhì)量穩(wěn)定性、均勻性的前提。