40Cr鋼等溫正火工藝探討

重慶長風(fēng)機(jī)器有限責(zé)任公司軍品技術(shù)質(zhì)量部 （江津 602264） 陳金榮

等溫正火作為先進(jìn)的零件預(yù)備熱處理工藝，目前廣泛用于汽車零件的低碳低合金滲碳鋼，而中碳合金鋼的等溫正火工藝幾乎沒有介紹。本文依據(jù)鋼的熱處理相變原理和40Cr鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，結(jié)合工廠生產(chǎn)條件，在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了40Cr鋼較佳的等溫正火工藝并用于生產(chǎn)，取得了很好的效果。

一、問題的提出

我公司某特種產(chǎn)品有個(gè)關(guān)鍵主件（Q機(jī)）坯件采用溫?cái)D壓工藝成形，材料為40Cr鋼，形狀如圖1所示。

圖1 Q機(jī)坯件示意

原坯件的預(yù)備熱處理采用正火，零件的工藝流程：下料→溫?cái)D壓→正火→機(jī)加工→熱處理→裝配。坯件正火后在加工圖2所示的φ16mm孔系（深孔）時(shí)，每批有10%～20%的零件在鉆孔中有硬質(zhì)點(diǎn)，出現(xiàn)鉆不動(dòng)“打刀”的現(xiàn)象。

圖2 Q機(jī)加工示意

鉆不動(dòng)的坯件再重新進(jìn)行正火或高溫回火或調(diào)質(zhì)處理后，效果不明顯，仍鉆不動(dòng)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。

二、40Cr鋼等溫正火工藝制訂

1. 40Cr鋼加熱相變

40Cr鋼的Ac1約為743℃、Ar1約為694℃、Ac3約為782℃。實(shí)際生產(chǎn)中，奧氏體化溫度常采用840～860℃以充分均勻化。含鉻的碳化物不易溶解，加熱不足時(shí)，可能有少量殘留碳化物。

2. 設(shè)備

（1）可控氣氛多用爐（前室?guī)ы斁徖洌￢KES4/2—70/85/130CN——用于零件的奧氏體化及急冷。

可控氣氛多用爐由帶頂緩冷的前室、淬火油槽、可控氣氛加熱室、料盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、中間門升降機(jī)構(gòu)、前門升降及密封機(jī)構(gòu)、電動(dòng)升降等部分組成。工件用裝料小車推進(jìn)帶頂緩冷的前室，料盤從前室至后室的往返由后驅(qū)動(dòng)裝置完成。全部的機(jī)械動(dòng)作按已設(shè)定的程序自動(dòng)完成。后室采用電加熱的輻射管。在前室頂部的緩冷內(nèi)裝有氣體循環(huán)冷卻風(fēng)扇及導(dǎo)流裝置，在頂緩冷室周圍設(shè)有油循環(huán)冷卻的鋼板焊接夾層，當(dāng)工件進(jìn)入緩冷室時(shí)，通過夾層中的油將熱量帶走。夾層循環(huán)油冷卻采用熱管式空冷換熱器，冷卻效率高。保護(hù)氣氛是氮－甲醇。

（2）箱式高溫回火爐KES4/2—70/85/130CN——用于零件的等溫。高溫回火爐爐膛內(nèi)設(shè)置了耐熱鋼制導(dǎo)流套，電加熱絲安裝于爐膛內(nèi)壁和導(dǎo)流套之間，爐氣通過頂置的離心風(fēng)扇，形成良好的導(dǎo)流加熱系統(tǒng)，保證了加熱均勻，溫度偏差小。另外，還可通氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)氣氛下加熱。

3. 工藝流程

裝夾→多用爐后室奧氏體化加熱、保溫→出后室到前室急冷→出爐迅速轉(zhuǎn)到箱式回火爐等溫→出爐空冷。

4. 等溫正火工藝參數(shù)的制訂

等溫正火是將鋼加熱至奧氏體化（與普通正火相同），然后迅速冷至Ar1以下某一溫度等溫，使過冷奧氏體在該溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的珠光體，再自由空冷。

（1）零件的裝夾 等溫正火對零件裝爐方式要求較為嚴(yán)格，主要目的是為了在中間冷卻階段獲得良好的冷卻均勻性，避免散熱的不均勻和散熱“死角”。零件采用立式分層、網(wǎng)格定位下支撐的方式裝爐，這樣可保證加熱、冷卻時(shí)氣流從下向上流動(dòng)，以確保零件的加熱、冷卻快速均勻。

（2）奧氏體化溫度和時(shí)間的確定 奧氏體化溫度越高，保溫時(shí)間越長，組織均勻性越好。此階段的工藝參數(shù)與普通正火的基本相同，只是應(yīng)注意裝爐量和裝爐方式。對于本試驗(yàn)的40Cr零件采用860℃×60min的規(guī)范。

（3）急冷方式 急冷是本工藝的關(guān)鍵工序。目的是使奧氏體化后的零件以足夠快的冷速通過兩相區(qū)（F+P），抑制碳及其合金元素的遠(yuǎn)程擴(kuò)散，以避免帶狀組織出現(xiàn)。其冷卻方式是讓出爐后的零件迅速進(jìn)入一個(gè)專用冷卻裝置。零件在多用爐后室加熱均溫后，按預(yù)定程序轉(zhuǎn)到前室并打開氣體循環(huán)冷卻風(fēng)扇，通過夾層的油將熱量帶走，使零件的溫度均勻快速下降。根據(jù)多次試驗(yàn)，急冷取12min較合適。

（4）等溫溫度和時(shí)間的確定 等溫溫度主要依據(jù)零件的硬度要求而定，硬度要求較低時(shí)溫度取靠上限，反之取靠下限。等溫時(shí)間應(yīng)依據(jù)材料等溫轉(zhuǎn)變圖、裝爐量和零件的有效厚度等加以確定，充分保證奧氏體向F+P完全轉(zhuǎn)變有足夠的時(shí)間。本工藝的等溫設(shè)備采用箱式回火爐，用爐外的裝卸小車把零件從多用爐轉(zhuǎn)移到箱式回火爐。當(dāng)零件從多用爐轉(zhuǎn)入之前應(yīng)把箱式回火爐的溫度升到等溫溫度。本試驗(yàn)的40Cr零件采用680℃等溫，時(shí)間為3h，另外從多用爐轉(zhuǎn)入回火爐的轉(zhuǎn)移時(shí)間越短越好，一般不超過2min。

（5）等溫后冷卻 等溫后的冷卻速度從理論上講已不影響相變，故可采用空冷、風(fēng)冷或水冷，但為了使零件表層的殘留應(yīng)力最低，等溫后以自由空冷為宜。

三、結(jié)果與討論

由于Q機(jī)溫?cái)D壓成形時(shí)采用中頻透熱的加熱方式，加熱速度快，溫度低，保溫時(shí)間短，加上成形時(shí)的變形量?。村懺毂龋?，造成材料的成分不均勻性大，進(jìn)而影響組織和性能的均勻性。生產(chǎn)實(shí)踐表明，這種組織通過正火、正火+高溫回火或調(diào)質(zhì)的方式不能完全加以改善，從而影響材料的可加工性。

40Cr鋼制Q機(jī)經(jīng)多用爐860℃×60min加熱→前室快冷12min→快速轉(zhuǎn)入680℃的回火爐內(nèi)保溫3h→出爐空冷的等溫正火處理后，材料的組織均勻，性能穩(wěn)定（硬度波動(dòng)?。慵目杉庸ば源蟠筇岣?。通過兩年10萬件的加工實(shí)踐，在加工中因硬質(zhì)點(diǎn)存在產(chǎn)生的“打刀”現(xiàn)象沒有了，加工一件的時(shí)間縮短了20%。

四、結(jié)語

（1）等溫正火工藝用于40Cr等中碳結(jié)構(gòu)鋼，可實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)量的有效控制，從而改善可加工性，而且效果顯著。

（2）等溫正火工藝制訂的關(guān)鍵是按奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖，結(jié)合所用設(shè)備自身特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)來合理地控制裝爐方式、快冷方式、快冷時(shí)間、等溫溫度和等溫時(shí)間。