热处理对机床主轴用40Cr、65Mn钢力学性能的影响*

伍倪燕

(宜宾职业技术学院现代制造系，四川 宜宾 644003)



热处理对机床主轴用40Cr、65Mn钢力学性能的影响*

伍倪燕

(宜宾职业技术学院现代制造系，四川 宜宾 644003)

以机床主轴用40Cr、65Mn钢为研究对象，对其不同热处理工艺下的力学性能进行了测试研究。实验结果表明：随着回火温度的升高，65Mn钢和40Cr钢力学性能有着相同的变化趋势，抗拉强度和屈服强度下降，伸长率和断面收缩率升高，硬度下降，耐磨性变化不显著。在相同的热处理条件下，65Mn钢比40Cr钢强度高、塑性差、耐磨性好、综合力学性能要更好。两种材料在用于机床主轴时经过调质处理便可很好地满足生产需要。

热处理；40Cr钢；65Mn钢；力学性能

数控机床是我国制造业尤其是国防工业中的一件核心装备，其技术水平的高低对于现代化工业进程的高速前进起着重要的作用。它的发展追求高精度、高效率及高的可靠性，其质量与可靠性又直接影响到其加工精度及生产效率[1]。而机床主轴作为数控机床中最核心的一个部件，它带动着工件或刀具旋转，用来支撑传动零件、传递运动及扭矩，其运动精度就需要力学性能相匹配的材料作为支撑。

对于机床主轴用材料的选择，一般工作条件下会用45钢。若对于精度要求较高的工作条件，就需要强度、硬度及其他力学性能更好的材料。40Cr钢为现阶段机械制造业中广泛使用的合金钢，其调质处理后具有良好的综合力学性能，可用于载荷较大，表面要求较硬的机床主轴，其疲劳性、组织特性等性能很多研究者做出了研究探讨[2-5]。65Mn钢其强硬度较高，耐磨性好，可用于精度要求较高的磨床砂轮主轴，对于其组织性能的探讨也有很多研究者做出了贡献[6-8]。本文针对于40Cr钢和65Mn钢两种机床主轴用钢，在不同的热处理工艺下，对其力学性能进行测试研究。

1　试验方案

本实验选用40Cr钢和65Mn钢两个钢种，在进行热处理前首先通过成分分析得出合金中各元素含量，结果分别如表1和表2所示。

表1　40Cr钢化学成分(wt%)

制备好试样后分别对两类钢种进行热处理，热处理试样编号、工艺参数及冷却介质等如表3所示。热处理设备采用高温箱式电阻炉，在热处理完成后分别对各组试样进行力学性能测试、洛氏硬度测试及磨损试验测试。力学性能测试为拉伸试验，样品制备按国家标准进行，通过对试验数据的记录和计算最终得到样品的抗拉强度σb、屈服强度σs、延伸率δ以及断面收缩率ψ。洛氏硬度采用型号为HR150的洛氏硬度计对宏观硬度进行测试，每组试样取5个点进行测试，最终结果为5个点的平均值。磨损试验则采用型号为LMD-10的磨损试验机进行测试，其中磨料为1.5kg的石英砂，磨损时间的选择为10h，在进行磨损试验的前后分别对试样用万分之一克天平称重，算出磨损前后材料损失的重量，每组试样进行3次试验，最终结果取3次的平均值。

表2　65Mn钢化学成分(wt%)

表3　热处理工艺参数

2　实验结果与分析

2.1热处理工艺对材料拉伸性能的影响

表4　材料经热处理后的拉伸性能

1号到3号试样为40Cr钢经过860 ℃油淬后在不同温度下回火的试样，1号为200 ℃低温回火，2号为450 ℃中温回火，3号为520 ℃高温回火，4号到6号试样为65Mn钢经过830 ℃油淬后在不同温度下回火的试样，4号为200 ℃低温回火，5号为450 ℃中温回火，6号为550 ℃高温回火。表4为材料经热处理后的拉伸性能，为了更加清晰地看清其变化过程，将其中数据用图形表示，如图1所示。拉伸性能包含了抗拉强度σb、屈服强度σs、延伸率δ以及断面收缩率ψ这4个指标。其中抗拉强度和屈服强度反应了材料的强度，延伸率和断面收缩率反应了材料的塑性。

从表4和图1中可以看出，40Cr钢经过200 ℃低温回火后抗拉强度和屈服强度都很大，分别达到了1 610MPa和1 422MPa，而其延伸率和断面收缩率却非常低，分别只有7.1和11.1。这时材料硬而脆不利于使用。将回火温度提高到450 ℃后，材料的抗拉强度和屈服强度都有所下降，分别为1 380MPa和1 189MPa，但延伸率和断面收缩率分别提高到了8.2和39.8。随着回火温度进一步提高到520 ℃，材料的抗拉强度和屈服强度分别降低到985MPa和793MPa，虽然降低但是该强度能满足使用的需求，同时延伸率和断面收缩率进一步提升，分别达到15.8和57.2，这时材料不仅强度满足需求，塑性也非常好，适合生产中使用。同样的，在不同回火温度下，65Mn钢的拉伸性能和40Cr钢有着相同的变化趋势。在低温回火下其抗拉强度和屈服强度分别达到1 836MPa和1 785MPa，比40Cr钢还要高，到高温回火时抗拉强度和屈服强度降至1 050MPa和893MPa，同样整体比40Cr钢强度要大。其延伸率和断面收缩率在低温回火时很小，分别为2.1和5.6，塑性很差，经过高温回火后分别达到11.8和34.5，比40Cr钢略低但已经能很好地满足使用。

2.2热处理工艺对材料宏观硬度的影响

表5　材料经热处理后的宏观硬度

表5和图2为材料经热处理后的宏观硬度，也就是洛氏硬度。40Cr钢经过200 ℃低温回火后硬度很大，达到了53HRC，此时材料加工性能差。将回火温度提高到450 ℃后，材料硬度降低为40HRC，进一步将回火温度提高到520 ℃后，材料硬度降低为33HRC，说明40Cr钢随着回火温度的提高硬度逐渐下降。65Mn钢和40Cr钢有着相同的变化趋势，随着回火温度从200 ℃低温回火，到450 ℃中温回火，再到550 ℃高温回火，其硬度值随之从55HRC降至42HRC，再到36HRC。两种材料经过热处理后洛氏硬度的测试表明，40Cr钢和65Mn钢的硬度都随着回火温度的提高而下降，并且65Mn钢的硬度要比40Cr钢略高。

2.3热处理工艺对材料耐磨性的影响

表6　材料磨损后损失的重量

为了测试材料的耐磨性，对各组材料进行了磨损实验。表6和图3为材料经热处理后在磨损试验下损失的重量，每组材料分别都经过了10h的磨损，损失重量越小代表材料的耐磨性越好。从图表中可以看出40Cr钢和65Mn钢在经过不同温度回火后耐磨性几乎都没有变化。40Cr钢损失的重量为23.5～23.8mg，65Mn钢损失的重量为11.7～11.9mg。数据说明65Mn钢的耐磨性要比40Cr钢好。

2.4讨论

本文对于40Cr钢和65Mn钢两种机床主轴用钢，在不同的热处理工艺下，对其力学性能进行测试研究，其中主要改变的热处理工艺参数为回火温度。回火的目的是为了降低钢件中的残余应力或者强度硬度，以提高其塑性或韧性从而达到使用性能指标[9]。本文分别选取了低温回火、中温回火和高温回火三个温度来对两种钢材的力学性能进行评价。在低温回火时，淬火马氏体组织会转变成回火马氏体，还会保持淬火工件高的强度和硬度，但材料塑性很低，脆性很大。在中温回火后，组织会转变成回火屈氏体，它是铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物或渗碳体的复相组织，这时材料会获得较高的弹性极限和一定的韧性。在高温回火后会得到回火索氏体组织，这时会得到强度、塑性及韧性都较好的综合力学性能[10]。对于耐磨性，由于它和材料其他所有力学性能都有关系[11-12]，而随着回火温度的升高，材料强度下降的同时塑性随之上升，所以导致材料的耐磨性几乎没有变化。对于机床主轴用40Cr钢和65Mn钢，需要其在长期工作使用中因内应力引起的变形要小，需要的是其良好的综合力学性能，所以采用淬火加高温回火的工艺，即调质处理。

3　结语

(1)在相同热处理工艺下，65Mn钢比40Cr钢强度和硬度更高、耐磨性更好，但塑性较差。

(2)随着回火温度的升高，65Mn钢和40Cr钢力学性能变化趋势相同，具体表现为：抗拉强度和屈服强度下降，伸长率和断面收缩率升高，硬度下降，耐磨性变化不大。

(3)两种材料经过调质处理后都拥有良好的综合力学性能，可以满足机床主轴的使用需求。

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(编辑汪艺)

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Effectsofheattreatmentonthemechanicalpropertiesof40Crsteeland65Mnsteelusedinmachinetoolspindle

WUNiyan

(DepartmentofModernManufacturing,YibinVocationalandTechnicalCollege,Yibin644003,CHN)

Inviewof40Crsteeland65Mnsteelthatusedinmachinetoolspindle,theinfluenceofheattreatmentonthemechanicalpropertiesofthesteelwasinvestigated.Theresultsindicatedthatwiththeincreasingtemperedtemperature,thevariationofmechanicalpropertiesfor40Crsteeland65Mnsteelwasalmostthesame.Tensilestrengthandyieldstrengthdecreased,elongationandsectionshrinkagerateraised,hardnessdecreasedandtheabrasionresistancechangewasnotobvious.Underthesameheattreatmentcondition, 65Mnsteelhadbettercomprehensivemechanicalpropertiesthan40Crsteel.Whenusedformachinetoolspindle,thesetwokindsofmaterialsthroughmodulationprocessingcanbeverygoodtomeetproductionneeds.

heattreatment; 40Crsteel; 65Mnsteel;mechanicalproperty

TH122

B

伍倪燕，女，1979年生，研究生，主要从事CAD/CAM软件应用、数控机床安装与调试、数控编程与加工等课程的教学及研究，己发表论文9篇，参编教材5门，主研科研及教研教改10项，其中省级科研1项，专利1项。

2015-11-10)

160219

*四川省教育厅自然科学基金资助项目(15ZB0495)