热处理工艺对40Cr组织和性能的影响

葛伊伦，丁义超(成都工业学院 材料科学与工程学院，成都 611730)

热处理工艺对40Cr组织和性能的影响

葛伊伦，丁义超
(成都工业学院 材料科学与工程学院，成都 611730)

研究40Cr钢在不同热处理工艺下的组织和耐磨性。结果表明：40Cr最佳的热处理工艺为经850 ℃保温60 min正火，试样硬度约为200 HBS，正火后组织为索氏体；再经780 ℃淬火保温30 min后水冷，试样硬度约为52 HRC，淬火所得组织为板条状马氏体和针状马氏体；最后经200 ℃低温回火后，试样硬度维持在50 HRC以上，所得组织为回火马氏体；经淬火及回火后，试样耐磨性得到显著提高。

热处理；淬火；金相显微组织；硬度；耐磨性

钢铁是国民经济中最常应用得机械工程材料，提高和改善钢铁性能具有重大价值。40Cr因其具有良好的淬透性、切削性，广泛应用于齿轮、套筒、轴等尺寸小、力学性能要求较高的机械零部件中[1]。本文研究了试样经正火、淬火、回火热处理下不同热处理工艺参数选择对40Cr硬度的影响，并分析不同热处理工艺后获得的金相显微组织，随后进行摩擦实验以分析材料的耐磨性，进而得出使硬度和耐磨性最佳的热处理工艺流程。

1 实验方法

1.1 实验热处理工艺

对40Cr分别进行正火、淬火、回火热处理。正火作为预备热处理为后续淬火做组织准备，并改善40Cr的切削性为后续摩擦实验材料制备做准备。由此制定正火热处理工艺如表1所示。

表1 试样正火工艺参数

实验采用φ20×25的小尺寸试样，简单形状，且金属中的铬元素使其具有良好淬透性，试样变形、开裂倾向小，故淬火后选择水冷。研究淬火温度为760～900 ℃，温度间隔为20 ℃。保温时间分别取30，45，60 min进行对比。此外，冷却方式中添加油冷工艺进行比较。

淬火后进行回火以消除试样残余内应力，稳定工件尺寸。由此分别制定低温、中温、高温回火热处理工艺如表2所示。

表2 40Cr回火工艺参数

1.2 实验结果测定

对未经热处理和热处理后的试样采用MHBD-3000P型布氏硬度计或HRS-500型洛氏硬度计测定硬度。在JX-2000型金相显微镜下观察其金相显微组织。使用MMW-1A万能磨损试验机进行摩擦实验，并用1204型电子天平测量被摩试样磨损量。

2 实验结果与分析

2.1 硬度与显微组织

对40Cr进行正火热处理后，测定未经热处理和正火处理后试样硬度值如表3所示。

表3 未经热处理和正火处理后试样的硬度值

从表4可以看出，正火热处理后的40Cr硬度约为200 HBS，具有适宜的切削硬度。但200～240 HBS未能满足齿轮、套筒或轴的使用强度、硬度要求，需进一步进行热处理以提升其力学性能。

对比未经热处理的试样硬度，正火后40Cr硬度波动不大，这主要是因为正火前后试样组织没有发生转变，由下图所示通过金相显微组织具体分析。

图1 未经热处理的试样显微组织×400

图2 正火后的试样显微组织×400

从图1可以看出，未经热处理的40Cr组织为珠光体。珠光体是由铁素体和渗碳体组成的双相组织，前者具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低；后者硬度很高，塑性、韧性几乎为零。故原始40Cr试样具有适中的硬度值，较利于切削加工。

从图2可以看出，正火后得到索氏体组织，索氏体组织属于珠光体类型的组织，故正火后40Cr硬度未发生较大波动。其晶粒更为细小，达到正火目的[2]。

试样正火后继续对其进行淬火研究，结果如图3所示。

图3 不同淬火工艺参数在水冷下的试样硬度

从图3可以看出，40Cr试样在淬火温度780 ℃、保温时间30 min时硬度最大，水冷后达到52 HRC，油冷后达到约42 HRC，且不同淬火温度下，水冷试样硬度均高于油冷试样，试样不同淬火介质下硬度值如图4所示。

从图4可以看出，相同淬火温度下水冷试样硬度均高于油冷试样。这主要是因为理论上40Cr钢的冷却速度越快，淬硬层深度越深则获得硬度越大。但冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易使工件产生变形或开裂[3]。此次试验用试样尺寸较小，且试样中铬元素使其具有良好淬透性，故未发生变形开裂的情况。

图4 淬火冷却介质对试样硬度的影响

图5 780 ℃淬火保温 30 min的试样显微组织×400

从图5可以看出，40Cr试样经淬火保温后以大于临界冷却速度快速冷却，被加热至奥氏体状态的40Cr发生马氏体转变，获得高强度高硬度的马氏体。相比原始组织和正火后组织中的珠光体，硬度大幅提升。

从图3可以看出，随着淬火温度升高，试样硬度整体呈现下降趋势。在780 ℃淬火温度下试样硬度最高。750～780 ℃间随淬火温度升高试样硬度呈上升趋势，这主要是因为在一定温度范围内，随着加热温度越高，试样中马氏体的百分比相应增加至50%～99%。在850 ℃下硬度达到又一峰值，之后随淬火温度升高呈直线下降趋势。在900 ℃时硬度最低约为20 HRC，这主要是因为理论上40Cr加热到850～870 ℃后保温，合金元素就基本能完全融入奥氏体中且晶粒也不是很粗大，所以在理论上850 ℃下淬火硬度应该最高，以后随着温度增加，钢的蓄热量增加，淬火冷却时冷却速度就下降，因此理论上在850 ℃以上温度淬火硬度会下降。在实际情况下，受40Cr试样中合金元素含量的影响，综合考虑试样淬火温度蓄热量与冷却曲线影响，780 ℃下淬火硬度最大，可达50～55 HRC；840 ℃左右淬火硬度为第2个峰值，硬度为40～45 HRC。淬火时间过长易使奥氏体粗大影响试样硬度，淬火时间过短使铁素体未能完全溶入奥氏体，导致淬火后硬度下降[4]。故最终选取30 min淬火时长为最佳。

根据淬火结果，选取淬火温度780 ℃，保温30 min后的水冷试样继续进行回火研究，所得结果如表4所示。

表4 不同回火热处理工艺下的试样硬度

从表4可以看出，200 ℃下低温回火能保持淬火时的高硬度；在中温回火和高温回火时，随着回火温度上升，试样的硬度有不同程度的降低。由图6分析低温回火试样金相显微组织。

图6 低温回火试样显微组织

从图6可以看出，低温回火时保持了淬火试样的高硬度，这主要是因为得到了回火马氏体组织，其具有高硬度高强度，并在一定程度上减少了淬火的内应力。低温回火后硬度仍能保持50 HRC以上。

2.2 试样的耐磨性

磨损量由磨损前后试样质量变化来衡量，再由磨损量反映材料耐磨性。实验时选取试验力为20 N，转速150 rad/min，摩擦实验时间为60 min。未经热处理的40Cr在上述实验条件下所得磨损前后的试样质量如图7、图8所示。

图7 磨损前试样总质量

图8 磨损后试样总质量

从图7、图8可以看出，未经热处理的40Cr在上述实验条件下，磨损量为1.4 mg。

经正火热处理的40Cr在上述实验条件下所得磨损前后的试样质量如图9、图10所示。

图9 磨损前试样总质量

图10 磨损后试样总质量

从图9、图10可以看出，经正火热处理的40Cr在上述实验条件下，磨损量为1.0 mg。

淬火处理(780 ℃保温30 min水冷)后经回火(200 ℃保温60 min)40Cr耐磨性所得相应实验数据如图11、图12所示。

图11 磨损前试样总质量

图12 磨损后试样总质量

从图11、图12可以看出，经淬火和低温回火的40Cr在上述实验条件下，磨损量为0.3 mg。

对比未经热处理的试样与正火后的试样耐磨性，后者有小幅提升，这主要是因为正火后得到索氏体组织更为细小均匀，其具有良好综合力学性能。

试样经淬火并回火后，耐磨性有显著提升。这主要是因为淬火得到马氏体，强度硬度大幅提升，经低温回火后组织为回火马氏体，材料保持了高硬度，故耐磨性随之大幅提升[5]。

3 结论

综上得出最佳热处理工艺路线为：850 ℃正火保温60 min，780 ℃淬火保温30 min后水冷，200 ℃低温回火保温60 min。

经850 ℃正火保温60 min后试样硬度约为200 HBS，正火后组织为S；再经780 ℃淬火保温30 min后水冷，试样硬度约为52 HRC，淬火所得组织为板条状马氏体和针状马氏体；最后经200 ℃低温回火60 min后，试样硬度维持在50 HRC以上，所得组织为回火马氏体。

试样经正火后得到索氏体组织，相比未经热处理的原始组织更为细小均匀，故耐磨性有小幅提升；进一步对40Cr进行淬火和低温回火后，获得高硬度的回火马氏体组织，测得材料耐磨性有显著提升。

[1]丁义超.铁基复合材料的制备技术及研究进展[J].成都工业学院学报，2013，42(24)：22-25.

[2] 赵琳.浅谈40Cr钢热处理工艺及其组织性能[J].机械工程与自动化，2013(2)：200-202.

[3] 王瑞权，韩秋华.热处理工艺对40Cr组织和摩擦性能的影响[J].热处理技术与装备，2012，31(2)：29-32.

[4] 关文勇，丁义超，江书勇.碳化钒钢结硬质合金耐磨性研究[J].成都工业学院学报，2013，42(18)：74-80.

[5] 马跃新，邹安全.40Cr钢亚温淬火研究[J].现代制造工程，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

葛伊伦(1993—)，男，本科在读，研究方向：金属基复合材料，电子邮箱：504548701@qq.com。 丁义超(1975—)，男，教授，博士，研究方向：金属基复合材料和线切割技术。

TG156

A

2095-5383(2017)01-0020-04