熱處理工藝對(duì)40Cr組織和性能的影響

葛伊倫，丁義超(成都工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611730)

熱處理工藝對(duì)40Cr組織和性能的影響

葛伊倫，丁義超
(成都工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611730)

研究40Cr鋼在不同熱處理工藝下的組織和耐磨性。結(jié)果表明：40Cr最佳的熱處理工藝為經(jīng)850 ℃保溫60 min正火，試樣硬度約為200 HBS，正火后組織為索氏體；再經(jīng)780 ℃淬火保溫30 min后水冷，試樣硬度約為52 HRC，淬火所得組織為板條狀馬氏體和針狀馬氏體；最后經(jīng)200 ℃低溫回火后，試樣硬度維持在50 HRC以上，所得組織為回火馬氏體；經(jīng)淬火及回火后，試樣耐磨性得到顯著提高。

熱處理；淬火；金相顯微組織；硬度；耐磨性

鋼鐵是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最常應(yīng)用得機(jī)械工程材料，提高和改善鋼鐵性能具有重大價(jià)值。40Cr因其具有良好的淬透性、切削性，廣泛應(yīng)用于齒輪、套筒、軸等尺寸小、力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零部件中[1]。本文研究了試樣經(jīng)正火、淬火、回火熱處理下不同熱處理工藝參數(shù)選擇對(duì)40Cr硬度的影響，并分析不同熱處理工藝后獲得的金相顯微組織，隨后進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)以分析材料的耐磨性，進(jìn)而得出使硬度和耐磨性最佳的熱處理工藝流程。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)熱處理工藝

對(duì)40Cr分別進(jìn)行正火、淬火、回火熱處理。正火作為預(yù)備熱處理為后續(xù)淬火做組織準(zhǔn)備，并改善40Cr的切削性為后續(xù)摩擦實(shí)驗(yàn)材料制備做準(zhǔn)備。由此制定正火熱處理工藝如表1所示。

表1 試樣正火工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用φ20×25的小尺寸試樣，簡(jiǎn)單形狀，且金屬中的鉻元素使其具有良好淬透性，試樣變形、開裂傾向小，故淬火后選擇水冷。研究淬火溫度為760～900 ℃，溫度間隔為20 ℃。保溫時(shí)間分別取30，45，60 min進(jìn)行對(duì)比。此外，冷卻方式中添加油冷工藝進(jìn)行比較。

淬火后進(jìn)行回火以消除試樣殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸。由此分別制定低溫、中溫、高溫回火熱處理工藝如表2所示。

表2 40Cr回火工藝參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)定

對(duì)未經(jīng)熱處理和熱處理后的試樣采用MHBD-3000P型布氏硬度計(jì)或HRS-500型洛氏硬度計(jì)測(cè)定硬度。在JX-2000型金相顯微鏡下觀察其金相顯微組織。使用MMW-1A萬能磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，并用1204型電子天平測(cè)量被摩試樣磨損量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度與顯微組織

對(duì)40Cr進(jìn)行正火熱處理后，測(cè)定未經(jīng)熱處理和正火處理后試樣硬度值如表3所示。

表3 未經(jīng)熱處理和正火處理后試樣的硬度值

從表4可以看出，正火熱處理后的40Cr硬度約為200 HBS，具有適宜的切削硬度。但200～240 HBS未能滿足齒輪、套筒或軸的使用強(qiáng)度、硬度要求，需進(jìn)一步進(jìn)行熱處理以提升其力學(xué)性能。

對(duì)比未經(jīng)熱處理的試樣硬度，正火后40Cr硬度波動(dòng)不大，這主要是因?yàn)檎鹎昂笤嚇咏M織沒有發(fā)生轉(zhuǎn)變，由下圖所示通過金相顯微組織具體分析。

圖1 未經(jīng)熱處理的試樣顯微組織×400

圖2 正火后的試樣顯微組織×400

從圖1可以看出，未經(jīng)熱處理的40Cr組織為珠光體。珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的雙相組織，前者具有良好的塑性和韌性，但強(qiáng)度和硬度都很低；后者硬度很高，塑性、韌性幾乎為零。故原始40Cr試樣具有適中的硬度值，較利于切削加工。

從圖2可以看出，正火后得到索氏體組織，索氏體組織屬于珠光體類型的組織，故正火后40Cr硬度未發(fā)生較大波動(dòng)。其晶粒更為細(xì)小，達(dá)到正火目的[2]。

試樣正火后繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行淬火研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同淬火工藝參數(shù)在水冷下的試樣硬度

從圖3可以看出，40Cr試樣在淬火溫度780 ℃、保溫時(shí)間30 min時(shí)硬度最大，水冷后達(dá)到52 HRC，油冷后達(dá)到約42 HRC，且不同淬火溫度下，水冷試樣硬度均高于油冷試樣，試樣不同淬火介質(zhì)下硬度值如圖4所示。

從圖4可以看出，相同淬火溫度下水冷試樣硬度均高于油冷試樣。這主要是因?yàn)槔碚撋?0Cr鋼的冷卻速度越快，淬硬層深度越深則獲得硬度越大。但冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易使工件產(chǎn)生變形或開裂[3]。此次試驗(yàn)用試樣尺寸較小，且試樣中鉻元素使其具有良好淬透性，故未發(fā)生變形開裂的情況。

圖4 淬火冷卻介質(zhì)對(duì)試樣硬度的影響

圖5 780 ℃淬火保溫 30 min的試樣顯微組織×400

從圖5可以看出，40Cr試樣經(jīng)淬火保溫后以大于臨界冷卻速度快速冷卻，被加熱至奧氏體狀態(tài)的40Cr發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得高強(qiáng)度高硬度的馬氏體。相比原始組織和正火后組織中的珠光體，硬度大幅提升。

從圖3可以看出，隨著淬火溫度升高，試樣硬度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在780 ℃淬火溫度下試樣硬度最高。750～780 ℃間隨淬火溫度升高試樣硬度呈上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵谝欢囟确秶鷥?nèi)，隨著加熱溫度越高，試樣中馬氏體的百分比相應(yīng)增加至50%～99%。在850 ℃下硬度達(dá)到又一峰值，之后隨淬火溫度升高呈直線下降趨勢(shì)。在900 ℃時(shí)硬度最低約為20 HRC，這主要是因?yàn)槔碚撋?0Cr加熱到850～870 ℃后保溫，合金元素就基本能完全融入奧氏體中且晶粒也不是很粗大，所以在理論上850 ℃下淬火硬度應(yīng)該最高，以后隨著溫度增加，鋼的蓄熱量增加，淬火冷卻時(shí)冷卻速度就下降，因此理論上在850 ℃以上溫度淬火硬度會(huì)下降。在實(shí)際情況下，受40Cr試樣中合金元素含量的影響，綜合考慮試樣淬火溫度蓄熱量與冷卻曲線影響，780 ℃下淬火硬度最大，可達(dá)50～55 HRC；840 ℃左右淬火硬度為第2個(gè)峰值，硬度為40～45 HRC。淬火時(shí)間過長(zhǎng)易使奧氏體粗大影響試樣硬度，淬火時(shí)間過短使鐵素體未能完全溶入奧氏體，導(dǎo)致淬火后硬度下降[4]。故最終選取30 min淬火時(shí)長(zhǎng)為最佳。

根據(jù)淬火結(jié)果，選取淬火溫度780 ℃，保溫30 min后的水冷試樣繼續(xù)進(jìn)行回火研究，所得結(jié)果如表4所示。

表4 不同回火熱處理工藝下的試樣硬度

從表4可以看出，200 ℃下低溫回火能保持淬火時(shí)的高硬度；在中溫回火和高溫回火時(shí)，隨著回火溫度上升，試樣的硬度有不同程度的降低。由圖6分析低溫回火試樣金相顯微組織。

圖6 低溫回火試樣顯微組織

從圖6可以看出，低溫回火時(shí)保持了淬火試樣的高硬度，這主要是因?yàn)榈玫搅嘶鼗瘃R氏體組織，其具有高硬度高強(qiáng)度，并在一定程度上減少了淬火的內(nèi)應(yīng)力。低溫回火后硬度仍能保持50 HRC以上。

2.2 試樣的耐磨性

磨損量由磨損前后試樣質(zhì)量變化來衡量，再由磨損量反映材料耐磨性。實(shí)驗(yàn)時(shí)選取試驗(yàn)力為20 N，轉(zhuǎn)速150 rad/min，摩擦實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 min。未經(jīng)熱處理的40Cr在上述實(shí)驗(yàn)條件下所得磨損前后的試樣質(zhì)量如圖7、圖8所示。

圖7 磨損前試樣總質(zhì)量

圖8 磨損后試樣總質(zhì)量

從圖7、圖8可以看出，未經(jīng)熱處理的40Cr在上述實(shí)驗(yàn)條件下，磨損量為1.4 mg。

經(jīng)正火熱處理的40Cr在上述實(shí)驗(yàn)條件下所得磨損前后的試樣質(zhì)量如圖9、圖10所示。

圖9 磨損前試樣總質(zhì)量

圖10 磨損后試樣總質(zhì)量

從圖9、圖10可以看出，經(jīng)正火熱處理的40Cr在上述實(shí)驗(yàn)條件下，磨損量為1.0 mg。

淬火處理(780 ℃保溫30 min水冷)后經(jīng)回火(200 ℃保溫60 min)40Cr耐磨性所得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11、圖12所示。

圖11 磨損前試樣總質(zhì)量

圖12 磨損后試樣總質(zhì)量

從圖11、圖12可以看出，經(jīng)淬火和低溫回火的40Cr在上述實(shí)驗(yàn)條件下，磨損量為0.3 mg。

對(duì)比未經(jīng)熱處理的試樣與正火后的試樣耐磨性，后者有小幅提升，這主要是因?yàn)檎鸷蟮玫剿魇象w組織更為細(xì)小均勻，其具有良好綜合力學(xué)性能。

試樣經(jīng)淬火并回火后，耐磨性有顯著提升。這主要是因?yàn)榇慊鸬玫今R氏體，強(qiáng)度硬度大幅提升，經(jīng)低溫回火后組織為回火馬氏體，材料保持了高硬度，故耐磨性隨之大幅提升[5]。

3 結(jié)論

綜上得出最佳熱處理工藝路線為：850 ℃正火保溫60 min，780 ℃淬火保溫30 min后水冷，200 ℃低溫回火保溫60 min。

經(jīng)850 ℃正火保溫60 min后試樣硬度約為200 HBS，正火后組織為S；再經(jīng)780 ℃淬火保溫30 min后水冷，試樣硬度約為52 HRC，淬火所得組織為板條狀馬氏體和針狀馬氏體；最后經(jīng)200 ℃低溫回火60 min后，試樣硬度維持在50 HRC以上，所得組織為回火馬氏體。

試樣經(jīng)正火后得到索氏體組織，相比未經(jīng)熱處理的原始組織更為細(xì)小均勻，故耐磨性有小幅提升；進(jìn)一步對(duì)40Cr進(jìn)行淬火和低溫回火后，獲得高硬度的回火馬氏體組織，測(cè)得材料耐磨性有顯著提升。

[1]丁義超.鐵基復(fù)合材料的制備技術(shù)及研究進(jìn)展[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，42(24)：22-25.

[2] 趙琳.淺談40Cr鋼熱處理工藝及其組織性能[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013(2)：200-202.

[3] 王瑞權(quán)，韓秋華.熱處理工藝對(duì)40Cr組織和摩擦性能的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2012，31(2)：29-32.

[4] 關(guān)文勇，丁義超，江書勇.碳化釩鋼結(jié)硬質(zhì)合金耐磨性研究[J].成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，42(18)：74-80.

[5] 馬躍新，鄒安全.40Cr鋼亞溫淬火研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012，12(2)：11-14.

The Influence of Heat Treatment Process on the Micro-structure and Mechanical Properties of 40Cr

GEYilun，DINGYichao

(College of Material Science and Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China)

This article introduces the micro-structure and wear resistance of 40Cr steel under different heat treatment processes. The optimal procedures of heat treatment is as follows: after air-cooled normalizing at 850 ℃ for 60 minutes，the hardness value of the sample is approximately 200HBS with the micro-structure of sorbite. Then the sample reaches the hardness of 52 HRC with the micro-structure of lath and needle-type martensite after quenching at 780 ℃ for 30 minutes. Final heat-treatment of low tempering at 200 ℃ for 60 minutes ended in the micro-structure of tempered martensite while the sample’s hardness remains above 50 HRC. Moreover，the wear resistance of 40Cr steel increases dramatically after quenching and tempering.

Heat Treatment Process;quenching;Metallographic Structure;hardness;wear resistance.

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.01.005

2016-07-06

葛伊倫(1993—)，男，本科在讀，研究方向：金屬基復(fù)合材料，電子郵箱：504548701@qq.com。 丁義超(1975—)，男，教授，博士，研究方向：金屬基復(fù)合材料和線切割技術(shù)。

TG156

A

2095-5383(2017)01-0020-04