不同淬回火工藝對(duì)40Cr鋼微觀組織與力學(xué)性能的影響

譚邦俊，廖玉松，胡斌

(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)

鋼材具有韌性好、成形性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)及機(jī)械制造生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于40Cr鋼具有良好的淬透性、切削性，被廣泛用于制造連桿、軸類、螺栓和各類力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零部件中[1-2]。杜暢等[3]在3種不同淬火溫度下對(duì)40Cr鋼進(jìn)行硬度測(cè)定和拉伸試驗(yàn)，得出經(jīng)830 °C亞溫淬火處理的試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度性能最優(yōu)，回火索氏體較其他溫度試樣細(xì)小均勻的結(jié)論。陳志凱等[4]通過激光對(duì)40Cr鋼進(jìn)行淬火，并通過掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、能譜儀(EDS)等手段對(duì)磨損表面進(jìn)行觀察和分析,得出激光淬火后的40Cr鋼基體的主要失效機(jī)理為磨粒磨損,而沖擊效應(yīng)和滾動(dòng)接觸疲勞則是淬火表面的主要失效模式。付士軍[5]采用正交回歸試驗(yàn)方法, 研究了亞溫淬火對(duì)40Cr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。肖瑩和趙軍[6]通過對(duì)40Cr鋼在高壓下進(jìn)行高溫回火處理試驗(yàn)，得到經(jīng)850 °C淬火20 min+3 GPa壓力下540 ℃回火60 min后，40Cr鋼的硬度和壓縮屈服強(qiáng)度性能分別達(dá)到了39 HRC和1 215 MPa。章慶等[7]利用OM觀察了40Cr鋼麻點(diǎn)缺陷區(qū)域的顯微組織，并通過SEM和EDS分析了麻點(diǎn)缺陷的形貌和元素構(gòu)成。

本文采用金相顯微鏡、SEM掃描、拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)等對(duì)40Cr鋼在不同熱處理工藝下的微觀組織與性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為退火態(tài)的40Cr鋼，其化學(xué)成分如表1所示。Cr占1%左右的40Cr鋼淬透性優(yōu)于碳鋼。退火態(tài)的40Cr鋼微觀組織如圖1所示，由珠光體及網(wǎng)狀分布的鐵素體組成。

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

圖1 退火試樣40Cr鋼微觀組織

利用高溫箱式電阻爐對(duì)40Cr鋼進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如圖2所示。具體熱處理工藝如下：淬回火，利用加熱爐加熱40Cr鋼到溫度860 °C保溫1 h放入油中進(jìn)行淬火，繼續(xù)加熱至600 °C高溫回火2 h；亞溫淬回火，4n0Cr鋼加熱至溫度770 °C保溫1 h放入油中淬火，后繼續(xù)升高爐內(nèi)溫度至600 °C回火2 h；淬回火后亞溫淬回火，首先在860 °C淬火+600 °C回火的基礎(chǔ)上對(duì)40Cr鋼在770 °C下保溫1 h，進(jìn)行油淬，然后在600 °C下高溫回火2 h。其中40Cr鋼在油淬中表面換熱系數(shù)[8]如圖3所示。

圖2 40Cr鋼熱處理工藝

圖3 40Cr鋼在淬火油中的表面換熱系數(shù)

通過線切割設(shè)備對(duì)不同熱處理的試樣進(jìn)行切割，并打磨拋光成鏡面，再通過4%的硝酸酒精溶液腐蝕表面，利用金相顯微鏡進(jìn)行觀察。按照《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)的檢驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 230.2—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。按照《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2021)進(jìn)行40Cr鋼試樣室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司E45.305萬能試驗(yàn)機(jī)完成，每種試樣制作3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，取平均值為測(cè)量結(jié)果。試樣按照《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 229—2020)要求制作V型缺口試樣，采用深圳新三思材料檢測(cè)有限公司全自動(dòng)金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)完成測(cè)試，分別在25、-20、-60、-80、-100 °C下進(jìn)行試驗(yàn)，其中每種溫度試樣制作3件沖擊試樣，取均值為測(cè)量結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

2.1.1 金相組織

圖4為不同熱處理工藝下40Cr鋼微觀組織。圖4(a)，860 °C淬火+600 °C回火后，40Cr鋼微觀組織均為回火索氏體，這說明40Cr鋼在加熱860 °C保溫后組織全轉(zhuǎn)化為奧氏體又經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)化為單一馬氏體及貝氏體組織[9]。圖4(b)，770 °C亞溫淬火+600 °C回火后，40Cr鋼微觀組織為塊狀鐵素體和回火索氏體。由于亞溫淬火加熱比完全淬火溫度低，一般亞溫淬火升溫進(jìn)入Ac1～Ac3，僅部分組織發(fā)生相變，大部分還保留了較多鐵素體組織，冷卻后僅發(fā)生相變的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。圖4(c)，860 °C淬火+600 °C回火+770 °C亞溫淬火+600 °C回火后，40Cr鋼微觀組織為鐵素體和回火索氏體。

(a)860 °C淬火+600 °C回火

2.1.2 晶粒度

按《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》(GB/T 6394—2017)中截點(diǎn)法進(jìn)行晶粒度等級(jí)評(píng)定。淬回火后亞溫淬回火和亞溫淬回火晶粒度等級(jí)為9級(jí)，淬回火的晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)，3種熱處理后的試樣都屬于細(xì)晶粒，經(jīng)亞溫淬火有助于材料中的晶粒細(xì)化[10-11]。主要原因是試樣經(jīng)亞溫淬火后能得到極細(xì)的奧氏體晶粒，并使磷等有害雜質(zhì)集中于少量游離分散的鐵素體晶粒中，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。不同熱處理工藝的晶粒如圖5所示。

(a)860 °C淬火+600 °C回火

2.1.3 拉伸斷口形貌分析

圖6為試樣在不同處理工藝下拉伸斷口形貌。從圖6(a)和圖6(c)中可以看出：860 ℃淬火+600 ℃回火，860 ℃淬火+600 ℃回火+770 ℃亞溫淬火+600 ℃回火在顯微鏡下出現(xiàn)連續(xù)變形中擴(kuò)展形成韌窩狀斷口形貌，而在860 ℃淬火+600 ℃回火+770 ℃亞溫淬火+600 ℃回火后試樣拉伸斷口的韌窩的尺寸大，平均直徑大，深度深，材料的塑性好。對(duì)試樣進(jìn)行770 ℃亞溫淬火+600 ℃回火結(jié)果如圖6(b)所示，形成的韌窩狀斷口形貌不明顯，且韌窩較小，韌帶也不夠明顯，說明塑性性能較差。

(a)860 °C淬火+600 °C回火

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 硬度與抗拉強(qiáng)度

試樣在不同熱處理工藝下硬度與抗拉強(qiáng)度性能如表2所示。3種不同熱處理工藝后進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可以得出材料的硬度、強(qiáng)度和塑性性能。在硬度上：淬回火得到的硬度最大為29.8 HRC，相比亞溫淬回火和淬回火+亞溫淬回火硬度分別高了14.1%和20.8%。在強(qiáng)度上：淬回火與亞溫淬回火相比，屈服強(qiáng)度提高了6.3%，抗拉強(qiáng)度提高了8%；而試樣在亞溫淬回火后又比淬回火后亞溫淬回火在屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度上分別提高了6.8%和7.7%。在塑性性能上：淬回火與淬回火后亞溫淬回火試樣的塑性性能優(yōu)于亞溫淬回火，而淬回火后亞溫淬回火塑性性能優(yōu)于淬回火。

表2 不同熱處理工藝下試樣的硬度與抗拉強(qiáng)度性能

2.2.2 沖擊韌性

試樣在不同熱處理工藝下的沖擊韌性如表3所示。從表3可以看出在25、-20、-60、-80、-100 °C溫度進(jìn)行淬回火+亞溫淬回火試樣的沖擊韌性性能是優(yōu)于淬回火和亞溫淬回火兩種熱處理工藝的。這說明在淬回火后對(duì)40Cr鋼進(jìn)行亞溫淬回火，可以有效提高材料的性能。對(duì)40Cr鋼的試樣進(jìn)行亞溫淬回火熱處理，在各溫度下其沖擊韌性最差。

表3 不同熱處理工藝下試樣的沖擊韌性

3 結(jié)論

1)40Cr鋼經(jīng)過860 °C淬火+600 °C高溫回火后，微觀組織為回火索氏體并在其上有顆粒狀滲碳體，而力學(xué)性能在硬度、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度上比亞溫淬回火和淬回火后亞溫淬回火性能優(yōu)異。

2)40Cr鋼經(jīng)過770 °C淬火+600 °C高溫回火后，微觀組織為塊狀鐵素體和回火索氏體，力學(xué)性能在沖擊韌性、伸長(zhǎng)率及斷面收縮率上性能較差，而在硬度、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度性能上比淬回火低，比淬回火+亞溫淬回火高。

3)40Cr鋼經(jīng)過860 °C淬火+600 °C高溫回火+770 °C淬火+600 °C高溫回火能提高在沖擊韌性、伸長(zhǎng)率及斷面收縮率上的力學(xué)性能，而在硬度、屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度性能比淬回火和亞溫淬回火差。