40Cr钢少无畸变热处理技术研究

王琛孝，陈金荣，范红山

重庆建设工业（集团）有限责任公司热表公司 重庆 402260

1 序言

热处理的主要任务是使钢铁零件获得力学性能所需要的金相组织。但在通过热处理工艺手段获得所需的金相组织的同时，却产生了人们所不希望的变形情况。工件的淬火变形是当今热处理行业乃至机械制造行业的重大难题。说它“难”，一是指变形问题“太复杂”和“牵涉面太广”，从零件设计、钢材品种及其质量、冷热加工和人为因素，到热处理生产的各个细节，都可能成为淬火变形的影响因素；二是指其几乎“无规律可循”。虽然解决淬火变形问题的措施很多，但效果“时灵时不灵”，常让人无所适从。因此，如何减少热处理变形、提高使用寿命，仍是热处理工作者的一项重要研究课题。

我公司生产的某特种产品中有一个关键件，材料为40Cr钢，要求硬度40～48HRC，热处理后尺寸要求如图1所示。零件要在相当高的冲击载荷、冷热反复交替的环境下工作，应具备高强度和韧性配合。其加工流程：下料→压力加工→预备热处理→机加工→热处理→装配。零件的最终热处理是在成品下进行，形状复杂不对称，零件每个位置的厚度不均，热处理后主要尺寸不再进行机械加工，即未给予热处理分配尺寸公差。零件热处理变形后通过校正方法挽救难度大，报废率高，因此在保证零件使用性能的前提下，如何控制零件的热处理变形，是制定热处理工艺的关键之一。由于下贝氏体组织的突出特点是冲击韧度、断裂韧度、耐磨性和尺寸稳定性好，表面残余压应力[1]，因此在目前的热处理工艺条件下，采用下贝体等温淬火工艺是最佳选择。

图1 某关键主件结构

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

（1）40Cr钢的化学成分 40Cr 是具有一定淬透性和较好综合力学性能的优质合金结构钢，广泛应用于制造各种机器零件。根据 GJB 2720—1996《轻武器用结构钢钢棒规范》 的规定，40Cr钢的化学成分见表1。

表1 40Cr钢的化学成分（质量分数）（%）

（2）40Cr钢的合金化 Cr在钢中可以形成碳化物或溶入铁素体。经过奥氏体化后，溶入奥氏体中的Cr能降低碳的扩散速度，延长过冷奥氏体的孕育期，也就是减缓奥氏体的分解速度，使奥氏体等温转变图和奥氏体连续冷却组织转变图右移，从而提高钢的淬透性[2]。根据 40Cr钢中的C、Cr含量估计，Cr生成的碳化物主要是(Fe、Cr)3C，在偏析的高浓度区，也可能有少量的(Cr、Fe)7C、(Cr、Fe)23C6。Cr在钢中对奥氏体转变的影响，只有当Cr溶入奥氏体后才是有效的，如果存在大量未溶碳化物，Cr的作用就不可能充分发挥出来。

C r对铁素体的固溶强化作用十分微弱，在钢的力学性能方面，Cr主要通过提高淬透性和回火稳定性间接作出贡献。淬透性的提高，使得在较大截面上也能获得均匀的淬火组织；回火稳定性的提高，可以在不降低强度的情况下，采用较高的回火温度，以提高塑性和韧性。Cr有促进回火脆性的作用，并可提高钢的脆性转变温度，但在Cr含量不高时，这种作用尚不十分显著。

（3）40Cr钢的相变特点和组织形态

1）加热相变：40Cr钢的Ac1约为743℃、Ac3约为782℃、Ms点330℃。在实际生产中，奥氏体化温度常采用840～860℃，以充分均匀化。含Cr的碳化物不易溶解，加热不足时，可能有少量碳化物残留。

2）冷却相变（过冷奥氏体的等温转变）：根据40Cr钢过冷奥氏体的等温转变图（见图2）可知[3]，在Cr的作用下，图中的珠光体和贝氏体两个转变区分离，使得 470～630℃区间的转变速度减慢，转变过程延长。过冷奥氏体在Ar3～Ar1区间等温停留，可生成先共析铁素体，但转变不可能进行完毕，随着铁素体量的增加，奥氏体也趋于稳定。Ar1～530℃为铁素体-珠光体转变区，奥氏体发生先共析铁素体转变，然后分解为珠光体。530℃至Ms点（330℃）附近，为贝氏体转变区，转变产物有粒状贝氏体、上贝氏体和下贝氏体。等温温度＞450℃时，主要为粒状贝氏体转变，而在330～360℃时，则主要为下贝氏体转变。由于各种贝氏体转变没有严格的温度界限，在贝氏体区等温转变后，往往得到几种贝氏体的混合组织。＜330℃时，进入马氏体转变区，奥氏体在马氏体区等温停留，继部分马氏体转变后将发生部分下贝氏体转变，等温温度越高，下贝氏体量越多[4]。

图2 40Cr钢的奥氏体等温转变曲线

2.2 试验方法

（1）40Cr钢贝氏体等温淬火工艺的制定 将钢制工件加热奥氏体后，淬入热浴中保温足够时间，使全部或部分奥氏体转变为下贝氏体组织，随后空冷到室温的热处理工艺，称为贝氏体等温淬火。

（2）设备及淬火冷却介质

1）淬火加热：可根据不同材料和零件特点，采用中性盐浴炉或可控气氛炉。

2）等温淬火冷却介质：等温淬火介质有硝盐、金属浴（如铅浴）和流态炉，但通常使用等温淬火介质是45%NaNO2+55%KNO3硝盐浴。因为使用硝盐浴具有较高的经济性和环保性，盐浴本身的流动性、稳定性、均匀性好，适合于连续生产线。硝盐没有老化、分解的问题，也不存在淬火冷却介质使用一定时间后的废弃问题，可以回收反复使用：零件熔盐淬火清洗后，进行盐水分离，被带出的盐可100%回收利用，做到零排放。另外，产品质量好，硝盐的冷却速度可以通过调节水含量进行控制（介于热油冷却度速和4倍油速之间)，十分简单方便。熔盐淬火过程中没有蒸汽膜阶段，高温区冷却速度很快，但在低温区等温时冷却速度近乎为零，工件变形小，且保证了零件力学性能的一致性[5]。目前，国外一些发达国家使用盐浴淬火工艺已经很普遍。

（3）淬火加热温度 对于40Cr钢来说，与一般的淬火相同，可根据具体零件的尺寸、形状、硬度和变形量的要求，在 820～870℃之间选择。在零件有效厚度较大、硬度要求较高时，为了增加过冷奥氏体的稳定性，以避免冷却过程中珠光体的形成，使等温淬火易于进行，常将奥氏体化温度适当提高，取温度的上限；反之则取下限。零件在保证性能的前提下，为了尽量减小热应力，最大限度地减少淬火变形，淬火温度要取下限。

（4）等温温度 根据40Cr钢过冷奧氏体的等温转变图（见图2）可知，40Cr钢等温淬火的等温温度通常选择330～360℃，等温淬火后的硬度是40～48HRC。具体的温度应根据零件形状、尺寸、硬度及变形要求等选择。若等温温度高，则热处理后硬度低、变形量小。对于同一零件，为了保证零件质量的均匀性和稳定性[6]，等温温度的波动越小越好，一般不超过5℃。等温槽温度均匀性必须保证在±6℃范围内或更高。

（5）等温时间 等温时间的选择取决于钢材的成分、工件的尺寸与形状、等温温度等因素。对于采用结构钢制造的机器零件，等温时间应能保证尽可能多的过冷奥氏体转变为下贝氏体，以获得良好的力学性能的组合[7]。其具体的等温时间则应通过试验测定。根据40Cr钢过冷奥氏体的等温转变图可知，在330～360℃之间下贝氏体转变结束的时间≤20min，但在实际工程应用中，等温时间通常取30min。

（6）回火 零件经等温淬火后一般无需进行回火，对于性能要求较高的零件，等温淬火同样需要回火，回火温度一般低于等温温度，在200℃左右补充回火一次[8]。回火的目的是使贝氏体转变不完全,随后生成的马氏体重新加热获得回火马氏体，并促进淬火后的残留奥氏体转变，使淬火后所得各种组织的性能均匀[9]，回火同样有稳定尺寸的作用。

2.3 等温淬火工艺

（1）工艺设备 工艺在 P300 的底装料立式多用炉生产线（见图3）上进行。生产线的组成：加热炉、盐冷淬火槽、水冷淬火槽、油冷淬火槽、加热炉、油清洗机、盐清洗机、两台低温回火炉、两台高温回火炉及炉外运输料车。

图3 底装料炉生产线

（2）工艺流程 装夹→清洗→淬火加热→硝盐等温淬火→清洗→回火→下架。

（3）工艺参数

1）装夹：夹具是模块式设计结构，可按被热处理零部件的高度分别组合成多层的结构进行吊挂或盛放。批量装炉方式：分层垂直悬挂方式。用φ4.5mm的钢条穿过零件 5mm×8mm的方孔，然后钢条架在网格净空为32mm×32mm的格栅上，格栅中间的8个孔不装零件。采用分三层悬挂（见图4）方式，每层100件，每炉装炉量为300件。

图4 装炉方式

2）前清洗在La2油清洗机上进行。

3）加热及保温：11Cg（φ500mm×700mm）电加热式底装料立式加热炉，气氛系统采用氮＋甲醇可控氨基保护气氛，加热温度（840±10）℃，保温为40min。

4）等温淬火：3B电加热硝盐槽，淬火冷却介质为德润宝AS135等温淬火盐，配方为45%NaNO2＋55%KNO3，温度为（350±5）℃，进槽后快速搅拌冷却3min，然后慢速搅拌冷却27min，再出炉空冷15min。

5）清洗：La3盐清洗机，以去除零件及装具上的残留硝盐。

6）回火：5 E 低温回火炉，回火工艺为（200±20）℃ ×2h，出炉空冷。

7）检测硬度及变形量。

3 试验结果与讨论

3.1 试验结果

进行了一炉300件工艺摸底，试验前100%检查了尺寸21.2H12、底平面平面度0.1mm、φ16mm 同轴度0.04mm 共3个尺寸，选择3个尺寸全部合格的零件按上述工艺进行热处理。

（1）硬度 100%检测，结果见表2。

表2 硬度检测结果

（2）尺寸 100%检测，结果见表3。

表3 尺寸检测结果

（3）显微组织 等温淬火后的金相组织如图5所示。

图5 等温淬火后的金相组织

从图5a中可看出，40Cr钢在（350±5）℃等温淬火后，其组织结构均匀，是由铁素体和碳化物组成的下贝氏体组织。从图5b可看出，显微组织呈黑色针状或竹叶状，并呈细小、弥散短条状排列[10]。

（4）使用寿命 装配后经3000次使用寿命试验，零件无破断、变形，完好无损。

3.2 等温淬火特点

1）与普通淬火-回火（中低温回火）相比，在同样的硬度条件下冲击韧度好。

2）经等温淬火后，组织结构均匀，内应力很小，显微和超显微裂纹产生的可能性很小，其疲劳强度可大大增加，从而在很大程度上延长了零件的使用寿命。

3）由于等温淬火可缩小温差，减小热应力，且组织转变成下贝氏体，减小了比容变化，即减小了因体积膨胀而产生的组织应力，热应力和组织应力都大大减小，因此变形量小，甚至可达到无淬火变形，因而等温淬火很适用一些精密的结构零件。

4）对于性能要求较高的零件，等温淬火同样需要回火，回火温度一般低于等温温度，回火的目的是因贝氏体转变不完全，从而使随后生成的马氏体重新加热获得回火马氏体，并促进淬火后的残留奥氏体转变，使淬火后所得各种组织的性能均匀。另外，回火同样有稳定尺寸的作用。

5）等温槽的温度较高时，冷却能力低，对于硬化性能较差的零件，很可能当零件尚未冷却到等温温度时，过冷奥氏体就部分发生了珠光体转变，因此用等温淬火的零件大小要受到限制。

3.3 预备热处理

预备热处理的作用是得到细小、均匀的组织，为淬火作准备。40Cr钢的预备热处理有退火、正火和调质。生产实践表明，40Cr钢等温淬火时，为了尽可能减少变形，调质作为预备热处理是最佳的方式。

3.4 等温淬火应注意事项

1）必须严格控制等温槽的温度，一般应控制在±5℃范围内。

2）零件在加热时加热的吊挂或装炉的方法，要防止因零件吊挂不当及自重而造成的变形。

3）40Cr钢等温淬火工艺参数理论和实际存在一定的差异。

4 结束语

1）40Cr钢等温淬火工艺的制定，应根据材料的等温转变曲线、零件的性能要求，通过试验制定出较为合理的等温温度和等温时间。

2）对于40Cr钢制形状复杂、尺寸较小（有效厚度≤10mm)、要求变形量小，以及处理后要求具备高强度和韧性配合的重要零件，在目前的热处理工艺条件下，淬火工艺是最合适的。

3）最优化的热处理工艺不可能是千篇一律的，同种材料的各项性能都会因热处理方法及其工艺参数的不同而改变，各项性能指标又常会此消彼长。

4）选择合适的热处理工艺参数、获得与工件的使用状况和失效方式相适应的最佳综合性能，才有可能制造出高质量的产品。

5）正确的装夹方式和装炉量，是保证零件热处理过程加热、冷却均匀的前提，也是保证零件热处理质量稳定性、均匀性的前提。