40Cr熱處理工藝剖析

戰(zhàn)中學(xué)+劉澤林+劉國忠+李海豹+宋亞輝+鄭宏偉

摘要：金屬材料熱處理是機(jī)械加工制造的重要環(huán)節(jié)，熱處理的結(jié)果直接影響機(jī)械零部件的性能及壽命，如果熱處理掌握不好，可能造成設(shè)備故障率高、維修率高，甚至造成重大安全事故。文章通過不同的淬火溫度、回火溫度對(duì)40Cr進(jìn)行熱處理，通過處理后的出現(xiàn)的問題及對(duì)數(shù)據(jù)和金相組織分析，最終確定最合理的熱處理參數(shù)及工藝。

關(guān)鍵詞：熱處理；40Cr；熱處理參數(shù)

中圖分類號(hào)：TGl62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）06-0042-03

眾所周知，40Cr是一個(gè)比較成熟的鋼種，但由于各個(gè)鋼廠生產(chǎn)的40Cr，雖然化學(xué)成分都在合格范圍之內(nèi)，可仍有上下限的差別和冶煉方法的區(qū)別，因此在熱處理時(shí)也應(yīng)有所不同。我們購買的40Cr來自首鋼、杭鋼和承鋼三個(gè)鋼廠，它們的化學(xué)成分均不盡相同，為此必須先進(jìn)行試驗(yàn)，以確定合理的熱處理工藝。本文僅對(duì)杭鋼產(chǎn)40Cr的熱處理試驗(yàn)與生產(chǎn)作總結(jié)說明，供參考。

1 40Cr鋼的基本情況

1.1 40Cr的化學(xué)成分（%）

C Si Mn Cr

0.37-0.44 0.17-0.37 0.50-0.80 0.80-1.10

1.2 40Cr的部分物理性能

密度：7.87克/cm3；熔點(diǎn)：1400℃

臨界點(diǎn)：AC1：747℃、AC3：784℃、Ar3：729℃、Ar1：674℃

1.3 40Cr的力學(xué)性能

當(dāng)850℃油淬，520℃回火，油冷時(shí)力學(xué)性能為：

σ，MPa σ，MPa δ，% ψ，% AKV，J

980 785 9 45 47

2 材料來源與化學(xué)成分

材料是杭鋼生產(chǎn)的規(guī)格為φ75×6000mm的棒料，其化學(xué)成分如下（表1）：

表1 杭鋼生產(chǎn)的40Cr的化學(xué)成分（%）

C Si Mn P S Cr Ni Cu

0.39 0.30 0.59 0.028 0.008 0.91 0.04 0.05

3 熱處理設(shè)備情況

淬火爐兩臺(tái)：KM350/13內(nèi)膛尺寸1500×600×600mm；KM540/13內(nèi)膛尺寸1200×700×450mm，兩臺(tái)淬火爐均為2010年制造，德國生產(chǎn)。

回火爐兩臺(tái)：型號(hào)分別為：RQ4-105-9D滴控井式回火爐，RJJ-36-6井式回火爐。

洛氏硬度計(jì)：HR-150A型洛氏硬度計(jì)，山東萊州華銀制造，2011年出廠。

4 40Cr材料尺寸及熱處理后硬度要求

零件尺寸：φ73（外圓）/φ22（內(nèi)孔）×340mm（長度）

熱處理后的硬度要求：

在直徑為58.5mm處的硬度為HRC36～42，每隔120°打一點(diǎn)，共三點(diǎn)。

5 對(duì)杭鋼40Cr零件的熱處理試驗(yàn)

5.1 熱處理試驗(yàn)

淬火和回火的裝爐量均為36根，淬火介質(zhì)和回火介質(zhì)均為自來水，水溫15℃～30℃，淬火和回火的裝爐溫度均為100℃左右，淬火從送電到到溫時(shí)間為120分鐘，從到溫到出爐為3小時(shí)，回火從送電到到溫90分鐘，從到溫到出爐為3小時(shí)，下表是不同淬火溫度及不同回火溫度處理后材料硬度。

5.2 數(shù)據(jù)分析

不同淬火溫度在同一回火溫度下硬度不同，同一淬火溫度下，不同的回火溫度硬度也不同，相同的淬火溫度和相同的回火溫度硬度相差很小，經(jīng)過多爐試驗(yàn)，測得在規(guī)定處的硬度HRC38～43，符合要求，而且硬度較

穩(wěn)定。

同時(shí)在零件橫截面沿半徑方向做了硬度分析，發(fā)現(xiàn)橫截面的淬火硬度（沿半徑方向）由外向內(nèi)的規(guī)律是高-低-較高，說明外側(cè)比內(nèi)孔處的冷卻效果好些，內(nèi)孔處比半徑的中心處冷卻強(qiáng)度大。

表2 不同淬火溫度及不同回火溫度處理后材料硬度

6 金相檢驗(yàn)

6.1 金相檢驗(yàn)內(nèi)容

觀察不同淬火溫度和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下不同位置的組織；

1#樣890℃淬火馬氏體及其他組織、晶粒度；

2#樣860℃淬火馬氏體及其他組織、晶粒度；

3#樣860℃淬火+440℃回火，回火索氏體及其他

組織。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

1#樣890℃淬火邊緣處：細(xì)針馬氏體+少量板條馬氏體+少量殘余奧氏體，邊部有脫碳層；中心處：細(xì)針馬氏體+少量板條馬氏體+少量上貝氏體+少量殘余奧氏體；內(nèi)部處：板條馬氏體+上貝氏體+少量細(xì)針馬氏體+少量殘余奧氏體。

2#樣860℃淬火邊緣處：細(xì)針馬氏體+少量板條馬氏體+少量殘余奧氏體；中心處：細(xì)針馬氏體+板條馬氏體+少量上貝氏體+少量殘余奧氏體；內(nèi)部處：上貝氏體+板條馬氏體+細(xì)針馬氏體+少量殘余奧氏體。

3#樣860℃淬火+440℃回火邊緣處：回火索氏體；中心處：回火索氏體+少量上貝氏體；內(nèi)部處：回火索氏體+上貝氏體+少量鐵素體。

此結(jié)果表明：

（1）890℃淬火的組織是以細(xì)針馬氏體和板條馬氏體為主，所以從邊緣到中心部位表現(xiàn)出高硬度，說明已經(jīng)淬透。

（2）860℃淬火組織，邊緣處和中心處以細(xì)針馬氏體和板條馬氏體為主，內(nèi)部處則以上貝氏體和板條馬氏體為主，說明邊緣處和中心處已經(jīng)淬透，而內(nèi)部處尚未完成淬透，或者說基本淬透。

（3）860℃淬火+440℃回火時(shí)，邊緣處、中心處、和內(nèi)部處都是以回火索氏體為主，由于內(nèi)部處有鐵素體的存在，致使該處的硬度有所降低，但基本符合要求。

部分金相照片如下（見圖1）

圖1 890℃淬火、860℃淬火時(shí)中心處和內(nèi)部處及860℃淬火+440℃回火中部區(qū)域的金相組織

7 出現(xiàn)的問題

在前期的一些試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)本批杭鋼生產(chǎn)的40Cr熱處理后有時(shí)硬度不符合要求，并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)890℃水淬有大小不等的裂紋，且數(shù)量較多，860℃水淬有時(shí)也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內(nèi)孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達(dá)不到要求的原因

化學(xué)成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因?yàn)镃r和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時(shí)（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時(shí)（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關(guān)，應(yīng)從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現(xiàn)裂紋的原因

裂紋的產(chǎn)生嚴(yán)重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產(chǎn)生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強(qiáng)烈攪動(dòng)（淬火烈度高）所造成的。當(dāng)符合上述條件時(shí)，鋼件便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力和組織應(yīng)力），使得零件受力出現(xiàn)裂紋。

8 結(jié)論與建議

為使杭鋼產(chǎn)40Cr達(dá)到規(guī)定的硬度要求，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗(yàn)表明，當(dāng)金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時(shí)，說明鋼件已經(jīng)淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時(shí)，則鋼件沒有淬透。當(dāng)回火后有較多的鐵素體存在時(shí)，則回火后的硬度就會(huì)降低。因此當(dāng)淬火溫度確定之后，可以調(diào)整回火溫度，以達(dá)到所期待的硬度。

裂紋的產(chǎn)生是淬火溫度高，淬火劑水的強(qiáng)烈攪動(dòng)所造成的，此時(shí)組織應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力，而內(nèi)表面收到的拉應(yīng)力比外表面大，致使內(nèi)表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產(chǎn)生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應(yīng)經(jīng)常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當(dāng)硬度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)更要注意，當(dāng)條件允許時(shí)，可進(jìn)行深入地應(yīng)力分析和金相定量分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第3版）

[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 樊東黎主編.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].機(jī)械工業(yè)

出版社，2000.

作者簡介：戰(zhàn)中學(xué)，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造；劉澤林，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所工程師；研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

7 出現(xiàn)的問題

在前期的一些試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)本批杭鋼生產(chǎn)的40Cr熱處理后有時(shí)硬度不符合要求，并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)890℃水淬有大小不等的裂紋，且數(shù)量較多，860℃水淬有時(shí)也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內(nèi)孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達(dá)不到要求的原因

化學(xué)成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因?yàn)镃r和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時(shí)（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時(shí)（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關(guān)，應(yīng)從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現(xiàn)裂紋的原因

裂紋的產(chǎn)生嚴(yán)重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產(chǎn)生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強(qiáng)烈攪動(dòng)（淬火烈度高）所造成的。當(dāng)符合上述條件時(shí)，鋼件便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力和組織應(yīng)力），使得零件受力出現(xiàn)裂紋。

8 結(jié)論與建議

為使杭鋼產(chǎn)40Cr達(dá)到規(guī)定的硬度要求，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗(yàn)表明，當(dāng)金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時(shí)，說明鋼件已經(jīng)淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時(shí)，則鋼件沒有淬透。當(dāng)回火后有較多的鐵素體存在時(shí)，則回火后的硬度就會(huì)降低。因此當(dāng)淬火溫度確定之后，可以調(diào)整回火溫度，以達(dá)到所期待的硬度。

裂紋的產(chǎn)生是淬火溫度高，淬火劑水的強(qiáng)烈攪動(dòng)所造成的，此時(shí)組織應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力，而內(nèi)表面收到的拉應(yīng)力比外表面大，致使內(nèi)表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產(chǎn)生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應(yīng)經(jīng)常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當(dāng)硬度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)更要注意，當(dāng)條件允許時(shí)，可進(jìn)行深入地應(yīng)力分析和金相定量分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第3版）

[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 樊東黎主編.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].機(jī)械工業(yè)

出版社，2000.

作者簡介：戰(zhàn)中學(xué)，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造；劉澤林，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所工程師；研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。

7 出現(xiàn)的問題

在前期的一些試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)本批杭鋼生產(chǎn)的40Cr熱處理后有時(shí)硬度不符合要求，并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)890℃水淬有大小不等的裂紋，且數(shù)量較多，860℃水淬有時(shí)也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內(nèi)孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達(dá)不到要求的原因

化學(xué)成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因?yàn)镃r和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時(shí)（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時(shí)（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關(guān)，應(yīng)從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現(xiàn)裂紋的原因

裂紋的產(chǎn)生嚴(yán)重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產(chǎn)生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強(qiáng)烈攪動(dòng)（淬火烈度高）所造成的。當(dāng)符合上述條件時(shí)，鋼件便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力和組織應(yīng)力），使得零件受力出現(xiàn)裂紋。

8 結(jié)論與建議

為使杭鋼產(chǎn)40Cr達(dá)到規(guī)定的硬度要求，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗(yàn)表明，當(dāng)金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時(shí)，說明鋼件已經(jīng)淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時(shí)，則鋼件沒有淬透。當(dāng)回火后有較多的鐵素體存在時(shí)，則回火后的硬度就會(huì)降低。因此當(dāng)淬火溫度確定之后，可以調(diào)整回火溫度，以達(dá)到所期待的硬度。

裂紋的產(chǎn)生是淬火溫度高，淬火劑水的強(qiáng)烈攪動(dòng)所造成的，此時(shí)組織應(yīng)力遠(yuǎn)大于熱應(yīng)力，而內(nèi)表面收到的拉應(yīng)力比外表面大，致使內(nèi)表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產(chǎn)生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應(yīng)經(jīng)常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當(dāng)硬度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)更要注意，當(dāng)條件允許時(shí)，可進(jìn)行深入地應(yīng)力分析和金相定量分析。

參考文獻(xiàn)

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[2] 樊東黎主編.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊[M].機(jī)械工業(yè)

出版社，2000.

作者簡介：戰(zhàn)中學(xué)，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造；劉澤林，男，中國兵器工業(yè)第五二研究所工程師；研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。