40cr水淬 [40Cr热处理工艺剖析]

描述：众所周知，40Cr是一个比较成熟的钢种，但由于各个钢厂生产的40Cr，虽然化学成分都在合格范围之内，可仍有上下限的差别和冶炼方法的区 别，因此在热处理时也应有所不同。我们购买的40Cr来自首钢、杭钢和...

　摘要：金属材料热处理是机械加工制造的重要环节，热处理的结果直接影响机械零部件的性能及寿命，如果热处理掌握不好，可能造成设备故障率高、维修率?高，甚至造成重大安全事故。文章通过不同的淬火温度、回火温度对40Cr进行热处理，通过处理后的出现的问题及对数据和金相组织分析，最终确定最合理的热?处理参数及工艺。?

　　关键词：热处理；40Cr；热处理参数?

　　众所周知，40Cr是一个比较成熟的钢种，但由于各个钢厂生产的40Cr，虽然化学成分都在合格范围之内，可仍有上下限的差别和冶炼方法的区?别，因此在热处理时也应有所不同。我们购买的40Cr来自首钢、杭钢和承钢三个钢厂，它们的化学成分均不尽相同，为此必须先进行试验，以确定合理的热处理?工艺。本文仅对杭钢产40Cr的热处理试验与生产作总结说明，供参考。?

　　1?40Cr钢的基本情况?

　　1.1?40Cr的化学成分（%）?

　1.2?40Cr的部分物理性能?

　　密度：7.87克/cm3；熔点：1400℃?

　　临界点：AC1：747℃、AC3：784℃、Ar3：729℃、Ar1：674℃?

　　1.3?40Cr的力学性能?

　　当850℃油淬，520℃回火，油冷时力学性能为：?

　　σ，MPa?σ，MPa?δ，%?ψ，%?AKV，J?

　　980?785?9?45?47?

　　2?材料来源与化学成分?

　　材料是杭钢生产的规格为φ75×6000mm的棒料，其化学成分如下（表1）：?

　　表1?杭钢生产的40Cr的化学成分（%）?

　3?热处理设备情况?

　　淬火炉两台：KM350/13内膛尺寸1500×600×600mm；KM540/13内膛尺寸1200×700×450mm，两台淬火炉均为2010年制造，德国生产。?

　　回火炉两台：型号分别为：RQ4-105-9D滴控井式回火炉，RJJ-36-6井式回火炉。?

　　洛氏硬度计：HR-150A型洛氏硬度计，山东莱州华银制造，2011年出厂。?

　　4?40Cr材料尺寸及热处理后硬度要求?

　　零件尺寸：φ73（外圆）/φ22（内孔）×340mm（长度）?

　　热处理后的硬度要求：?

　　在直径为58.5mm处的硬度为HRC36～42，每隔120°打一点，共三点。?

　　5?对杭钢40Cr零件的热处理试验?

　　5.1?热处理试验?

　　淬火和回火的装炉量均为36根，淬火介质和回火介质均为自来水，水温15℃～30℃，淬火和回火的装炉温度均为100℃左右，淬火从送电到到?温时间为120分钟，从到温到出炉为3小时，回火从送电到到温90分钟，从到温到出炉为3小时， 科学技术与工程投稿下表是不同淬火温度及不同回火温度处理后材料硬度。?

　　5.2?数据分析?

　　不同淬火温度在同一回火温度下硬度不同，同一淬火温度下，不同的回火温度硬度也不同，相同的淬火温度和相同的回火温度硬度相差很小，经过多炉试验，测得在规定处的硬度HRC38～43，符合要求，而且硬度较稳定。?

　　同时在零件横截面沿半径方向做了硬度分析，发现横截面的淬火硬度（沿半径方向）由外向内的规律是高-低-较高，说明外侧比内孔处的冷却效果好些，内孔处比半径的中心处冷却强度大。?

　　表2?不同淬火温度及不同回火温度处理后材料硬度?

　　6?金相检验?

　　6.1?金相检验内容?

　　观察不同淬火温度和调质状态下不同位置的组织；?

　　1#样890℃淬火马氏体及其他组织、晶粒度；?

　　2#样860℃淬火马氏体及其他组织、晶粒度；?

　　3#样860℃淬火+440℃回火，回火索氏体及其他?

　　组织。?

　　6.2?试验结果?

　　1#样890℃淬火边缘处：细针马氏体+少量板条马氏体+少量残余奥氏体，边部有脱碳层；中心处：细针马氏体+少量板条马氏体+少量上贝氏体+少量残余奥氏体；内部处：板条马氏体+上贝氏体+少量细针马氏体+少量残余奥氏体。?

　　2#样860℃淬火边缘处：细针马氏体+少量板条马氏体+少量残余奥氏体；中心处：细针马氏体+板条马氏体+少量上贝氏体+少量残余奥氏体；内部处：上贝氏体+板条马氏体+细针马氏体+少量残余奥氏体。?

　　3#样860℃淬火+440℃回火边缘处：回火索氏体；中心处：回火索氏体+少量上贝氏体；内部处：回火索氏体+上贝氏体+少量铁素体。?

　　此结果表明：?

　　（1）890℃淬火的组织是以细针马氏体和板条马氏体为主，所以从边缘到中心部位表现出高硬度，说明已经淬透。?

　　（2）860℃淬火组织，边缘处和中心处以细针马氏体和板条马氏体为主，内部处则以上贝氏体和板条马氏体为主，说明边缘处和中心处已经淬透，而内部处尚未完成淬透，或者说基本淬透。?

　　（3）860℃淬火+440℃回火时，边缘处、中心处、和内部处都是以回火索氏体为主，由于内部处有铁素体的存在，致使该处的硬度有所降低，但基本符合要求。?

　　部分金相照片如下（见图1）?

　　图1?890℃淬火、860℃淬火时中心处和内部处及860℃淬火+440℃回火中部区域的金相组织?

　　7?出现的问题?

　　在前期的一些试验中，发现本批杭钢生产的40Cr热处理后有时硬度不符合要求，并且在试验中发现890℃水淬有大小不等的裂纹，且数量较多，860℃水淬有时也有少量小裂纹，这些裂纹主要分布在内孔处，裂纹多为纵向。?

　　7.1?硬度达不到要求的原因?

　　化学成分处于中下限水平，使钢的淬透性有所降低，因为Cr和C都是提高淬透性的合金元素；加热温度低时（如800℃），不能充分奥氏体化，使?淬火马氏体量减少，硬度降低；加热温度过高时（890℃），虽然能充分形成马氏体，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除测量误差外，可能与钢的?成分偏析有关，应从冶炼工艺上考虑。?

　　7.2?出现裂纹的原因?

　　裂纹的产生严重地影响成品的合格率，使成本大大增加。裂纹的产生是由于淬火温度高，并用水作淬火剂及水的强烈搅动（淬火烈度高）所造成的。当符合上述条件时，钢件便会产生内应力（热应力和组织应力），使得零件受力出现裂纹。?

　　8?结论与建议?

　　为使杭钢产40Cr达到规定的硬度要求，经多次试验，确定其热处理工艺为：?

　　淬火860℃→保温2H→水冷→回火430℃→440℃保温→H水冷?

　　金相检验表明，当金相组织以针状马氏体和板条状马氏体为主时，说明钢件已经淬透，若有较多的上贝氏体和残余奥氏体时，则钢件没有淬透。当回火后有较多的铁素体存在时，则回火后的硬度就会降低。因此当淬火温度确定之后，可以调整回火温度，以达到所期待的硬度。?

　　裂纹的产生是淬火温度高，淬火剂水的强烈搅动所造成的，此时组织应力远大于热应力，而内表面收到的拉应力比外表面大，致使内表面易形成纵向裂纹。因此，为避免裂纹的产生，必须选择合适的淬火温度和淬火剂。?

　　应经常检查炉温和热电偶情况，特别是当硬度出现波动时更要注意，当条件允许时，可进行深入地应力分析和金相定量分析。?