陳 治

(鄭州機(jī)械研究所有限公司,河南 鄭州 450002)

40Cr鋼作為一種低合金調(diào)質(zhì)鋼,具有良好的綜合力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于軸類、連桿、螺栓和齒輪等零件[1-2]。滲氮處理可以提高40Cr鋼工件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度[3-4],但常規(guī)的滲氮零件存在脆性大等不足[5]。

亞溫淬火是指將亞共析鋼加熱到 α+γ兩相區(qū)內(nèi)的某一溫度,并保溫一段時間后淬火的一種熱處理工藝[6]。亞溫淬火可顯著提高鋼的沖擊韌性,降低脆性轉(zhuǎn)化溫度,并抑制高溫回火脆性[7-8]。亞溫淬火+高溫回火(即亞溫處理)能夠使材料獲得良好的強(qiáng)韌性匹配,但是將亞溫處理作為滲氮工藝預(yù)處理的應(yīng)用較少。本文研究了亞溫處理對40Cr鋼滲氮層組織和沖擊韌性的影響,并與常規(guī)調(diào)質(zhì)預(yù)處理進(jìn)行對比,為亞溫處理作為滲氮預(yù)處理提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為40Cr鋼鍛件,化學(xué)成分見表1。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

亞溫處理對鋼的原始組織有要求,一般需要先進(jìn)行一次調(diào)質(zhì)預(yù)處理。將40Cr鋼鍛件切割成尺寸為20 mm×30 mm×60 mm的試塊進(jìn)行調(diào)質(zhì)預(yù)處理,調(diào)質(zhì)預(yù)處理工藝為:850 ℃×1 h淬火,油冷,580 ℃×90 min回火。試塊經(jīng)過調(diào)質(zhì)預(yù)處理后進(jìn)行亞溫處理,將調(diào)質(zhì)預(yù)處理和亞溫處理試塊分別加工成金相、硬度、滲氮和沖擊試樣,其中滲氮試樣尺寸為8 mm×18 mm×36 mm,沖擊試驗采用10 mm×10 mm× 55 mm的 U形缺口試樣,滲氮試樣的滲氮面需精磨,并在滲氮前清洗干凈。

根據(jù)40Cr鋼的化學(xué)成分,利用JMatPro軟件模擬計算出其CCT曲線,如圖1所示。40Cr鋼的Ac1為742.9 ℃,Ac3為777.3 ℃,因此設(shè)定亞溫淬火溫度分別為750、760和770 ℃。在亞溫淬火后進(jìn)行580 ℃×3 h回火。滲氮前不同熱處理工藝見表2。對亞溫處理和調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣進(jìn)行離子滲氮,滲氮工藝為540 ℃×60 h,滲氮氣氛為熱分解NH3。

圖1 JMatPro模擬40Cr鋼的CCT曲線

表2 滲氮前熱處理工藝

金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后,采用DMI-3000M金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織,并用布氏硬度計測試其硬度。采用HV-10B型維氏硬度計測試滲氮層的表面硬度,載荷砝碼為5 kg。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11354—2005《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》,采用硬度法測量滲氮層深度,試驗設(shè)備為HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計,載荷砝碼為0.3 kg。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》,測試滲氮試樣的室溫沖擊韌性,每組3個試樣,取平均值。

2 結(jié)果及分析

2.1 滲氮前40Cr鋼的金相組織和硬度

圖2為40Cr鋼經(jīng)不同工藝熱處理后的金相組織。750 ℃×1 h亞溫淬火后,組織主要為鐵素體和粒狀貝氏體,其中鐵素體多為多邊形鐵素體,見圖2(a)。760 ℃×1 h亞溫淬火后,組織中殘留奧氏體增多,粒狀貝氏體基本消失,多邊形鐵素體減少,針狀鐵素體較多并與馬氏體形成條狀組織,見圖2(b)。770 ℃×1 h亞溫淬火后,組織中殘留奧氏體增多,鐵素體含量減少,呈塊狀游離分布,與馬氏體形成的條狀組織減少,存在少量針狀馬氏體,同時出現(xiàn)下貝氏體,見圖2(c)。850 ℃×1 h淬火后,組織為板條,馬氏體和針狀馬氏體的混合組織,見圖2(d)。圖2(e)、2(f)和2(g)為亞溫處理試樣的金相組織,可知在高溫回火過程中鐵素體不發(fā)生轉(zhuǎn)變,鐵素體的數(shù)量和分布與亞溫淬火前基本相同。580 ℃×90 min回火后,組織為回火索氏體、殘留奧氏體和游離鐵素體,見圖2(h) 。

(a)750 ℃×1 h亞溫淬火;(b)760 ℃×1 h亞溫淬火;(c)770 ℃×1 h亞溫淬火;(d)850 ℃×1 h淬火;(e)750 ℃×1 h亞溫淬火+580 ℃×3 h回火;(f)760 ℃×1 h亞溫淬火+580 ℃×3 h回火;(g)770 ℃×1 h亞溫淬火+580 ℃×3 h回火;(h)850 ℃×1 h+580 ℃×90 min調(diào)質(zhì)預(yù)處理

熱處理后40Cr鋼試樣的硬度見表3。由表3可知,40Cr鋼經(jīng)亞溫處理后硬度有所降低;隨著亞溫淬火溫度的升高,40Cr鋼的硬度略有增大,但整體變化不大。

表3 不同試樣的硬度

2.2 滲氮后40Cr鋼的表面硬度

不同試樣滲氮后的表面硬度如圖3所示。由圖3可知,40Cr鋼滲氮層表面硬度隨亞溫淬火溫度的升高略有增加,但變化不大;亞溫處理試樣的滲氮層表面硬度低于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣。滿足40Cr鋼滲氮表面硬度為500～650 HV5的要求。

圖3 40Cr鋼滲氮后的表面硬度

2.3 40Cr鋼滲氮層深度及硬度梯度

不同試樣的滲氮層深度見表4。由表4可知,與調(diào)質(zhì)預(yù)處理相比,亞溫處理可以顯著增加試樣的滲氮層深度。這是由于界面增加,提供了原子擴(kuò)散通道,加快了滲氮速度。

表4 不同試樣的滲氮層深度

不同試樣滲氮層的硬度梯度如圖4所示。由圖4可知,調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣滲氮層在距表面200～400 μm處硬度下降明顯;而亞溫處理試樣滲氮層硬度整體呈線性變化,沒有出現(xiàn)陡峭下降。距表面距離小于300 μm時,亞溫處理試樣滲氮層硬度低于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣;距表面距離為350～550 μm時,亞溫處理試樣滲氮層硬度高于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣。對比1#、2#和3#試樣,發(fā)現(xiàn)2#和3#試樣的滲氮層硬度分布無差別,其亞溫淬火溫度接近Ac3;而1#試樣由于過低的亞溫淬火溫度使?jié)B氮層硬度整體偏低,因此應(yīng)選擇接近奧氏體區(qū)的溫度進(jìn)行亞溫淬火。

圖4 40Cr鋼滲氮層的硬度梯度

2.4 滲氮前后40Cr鋼的沖擊韌性

40Cr鋼試樣滲氮前后的沖擊韌性如圖5所示。由圖5可知,滲氮后試樣的沖擊功均明顯下降。與調(diào)質(zhì)預(yù)處理相比,亞溫處理試樣在滲氮前后的沖擊功值更大,并且對滲氮后試樣的沖擊功值提升更明顯。滲氮前,亞溫處理試樣的沖擊功較調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣提高了25.5%～44.5%;滲氮后,亞溫處理試樣的沖擊功較調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣提高了137%以上。同時亞溫處理試樣滲氮前后的沖擊功下降較小,其中4#試樣滲氮后的沖擊功僅為滲氮前的32.46%,3#試樣滲氮后的沖擊功為滲氮前的61.41%。因此,將亞溫處理作為滲氮前的預(yù)處理工藝可以顯著提高40Cr滲氮件的沖擊韌性。

亞溫淬火使得40Cr鋼組織中的鐵素體分割馬氏體,在高溫回火后,馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變,而鐵素體不變,依然分布在新產(chǎn)生的回火索氏體周圍。鐵素體相成為裂紋擴(kuò)展的障礙,裂紋擴(kuò)展所需的能量增加,極大提高了鋼的沖擊韌性[9]。亞溫淬火后殘留奧氏體的數(shù)量增加,研究認(rèn)為[10],殘留奧氏體富集鋼中的碳元素,一方面使馬氏體中的含碳量減少,減弱了碳原子對馬氏體的固溶強(qiáng)化作用;另一方面降低了回火過程中碳化物的析出,而碳化物往往是裂紋萌生的核心。此外,亞溫處理可以使晶粒細(xì)化,提高大角度晶界的比例[11],從而使鋼的沖擊韌性得到提高。

3 結(jié)論

1)與調(diào)質(zhì)預(yù)處理相比,40Cr鋼滲氮前進(jìn)行亞溫處理可獲得更大的滲氮層深度,但表面硬度略有降低。

2)調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣的滲氮層硬度在距離表面200～400 μm處急劇下降,而亞溫處理試樣的滲氮層硬度整體呈線性變化,分布較平緩;亞溫淬火溫度過低會使?jié)B氮層硬度整體偏低,亞溫淬火溫度應(yīng)接近奧氏體區(qū)。

3)亞溫處理試樣滲氮后的沖擊韌性明顯優(yōu)于調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣,將亞溫處理作為滲氮前預(yù)處理可以顯著提高40Cr鋼滲氮件的沖擊韌性。