朱延勇 陳曉暉

（山東交通學(xué)院機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)中心，山東 濟(jì)南 250023）

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)的使用和普及率日趨增長(zhǎng)，而汽車(chē)零部件加工與制造精度要求也越來(lái)越高[1-2]。汽車(chē)的零部件，尤其是汽車(chē)表面覆蓋件，直接影響著汽車(chē)的裝配質(zhì)量、防撞性能以及外觀品質(zhì)。但是目前國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)覆蓋件均是由沖壓模具沖壓成型的，因此沖壓模具質(zhì)量的好壞直接影響著汽車(chē)表面覆蓋件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，這就要求沖壓模具必須要具備一定強(qiáng)度的力學(xué)性能，比如高強(qiáng)度、抗疲勞性以及承受熱沖擊能力，同時(shí)須具備良好的耐磨性和較低的熱膨脹性[3]。要實(shí)現(xiàn)以上各種性能就必須對(duì)汽車(chē)模具的上下模進(jìn)行熱處理，如何實(shí)現(xiàn)高性能的汽車(chē)沖壓模具并能夠長(zhǎng)期的大批量沖壓作業(yè)，是解決汽車(chē)表面覆蓋件沖壓模具的熱處理工藝問(wèn)題的根本和關(guān)鍵所在。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在用的汽車(chē)沖壓模具的熱處理方法有很多，但經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐驗(yàn)證，常規(guī)的熱處理效果并不顯著。隨著我國(guó)金屬熱處理技術(shù)的發(fā)展，研究出更好的熱處理工藝來(lái)提高沖壓模具的抗磨損性和硬度，充分提高冷沖效率和使用壽命是當(dāng)前亟待需要解決的問(wèn)題[4]。對(duì)此，本文提出了40Cr的汽車(chē)沖壓模具熱處理工藝，并且對(duì)熱處理后的硬度和變形量進(jìn)行了測(cè)量，從而為汽車(chē)沖壓模具的深入研究提供了參考。

1.40Cr鋼汽車(chē)沖壓模具熱處理工藝

1.1 汽車(chē)前身覆蓋件及沖壓模具特點(diǎn)

汽車(chē)前身覆蓋件具有體積大、質(zhì)量重以及裝配時(shí)要求裝配精度高等特點(diǎn)。汽車(chē)前身覆蓋件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

汽車(chē)前身覆蓋件沖壓模具分為上模和下模，均采用40Cr材質(zhì)制作而成，其中上模為凸槽形，下模為凹槽形，上模座與500T油壓機(jī)進(jìn)行連接，下模座通過(guò)定位螺栓固定在操作平臺(tái)上面[5]，沖壓模具斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 覆蓋件沖壓模具斷面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 40Cr汽車(chē)沖壓模具熱處理工藝路線

圖3 模具熱處理工藝流程

首先，完全退火工藝方式使40Cr加熱至亞共析鋼，此時(shí)的溫度為 770℃以上 25℃～35℃，之后做保溫處理，并在細(xì)砂中進(jìn)行冷卻至平衡溫度；然后做表面的應(yīng)力退火處理，再進(jìn)行冷卻，此時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組織無(wú)變化；第二步，正火處理，40Cr內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度加熱到Ac2（710℃）以上30℃～50℃，且做保溫處理，保溫時(shí)間12～14小時(shí)，放置在常溫下干燥空氣中進(jìn)行冷卻；第三步，淬火處理，40Cr內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度加熱到Ac3（770℃）以上 40℃～60℃，并且做保溫處理；第四步，做低溫回火處理；第五步，做調(diào)質(zhì)處理，將上下模表面溫度加熱到 Ac1（727℃）以上 60℃～80℃，再做保溫和淬火處理；第六步，人工時(shí)效處理；第七步，激光淬火處理，利用激光的淬火技術(shù)，深度為0.65mm的硬化層附著在壓型模上下模的表面。

2.試樣的選擇與制備

選用的試樣為40Cr鋼，經(jīng)熱處理后的洛氏硬度為56HRB。其具備較高的淬硬性和淬透性，并且耐回火性能也比較好，各方面均要好于碳素鋼，并且在熱處理時(shí)產(chǎn)生的變形比較小，較高的耐磨性[6]。40Cr鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 40Cr鋼的化學(xué)成分

本試樣一共制備4塊40Cr的試件，其規(guī)格為120mm×80mm×6mm（長(zhǎng)度×寬度×厚度）。 試件中，三塊40Cr試件做不同的熱處理，即其中第一塊試件采用傳統(tǒng)熱處理工藝方式（記作P1）：正火—退火—固溶—時(shí)效處理—淬火—回火工藝路線來(lái)進(jìn)行熱處理；第二塊試件采用本文1.2節(jié)所述熱處理工藝路線來(lái)進(jìn)行熱處理（記作P2），即退火—正火—淬火—低溫回火—調(diào)質(zhì)處理—時(shí)效處理—激光淬火；第三塊采用傳統(tǒng)改進(jìn)型熱處理方式進(jìn)行熱處理（記作P3），即淬火—不同溫度的回火；第四塊是不做任何熱處理的40Cr初始試件 （記作P4）。實(shí)驗(yàn)以合金鋼細(xì)小顆粒為磨料，4塊試件（正反面）均在金屬磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同熱處理后的材料做機(jī)械磨損的實(shí)驗(yàn)，來(lái)掌握金屬材料熱處理的特性。

表2 40Cr鋼的熱處理工藝

3.金相組織觀察的結(jié)果與分析

觀察金相組織的顯微鏡是運(yùn)用鏡面的反射成形這一原理，來(lái)對(duì)金屬或工程材料表面的金相組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察的一種高倍顯微鏡。材料的表面金相組織的觀察和分析是研究金屬材料成形原理以及材料熱處理工藝后的慣用方式，利用給定金屬的金相組織結(jié)構(gòu)學(xué)這一原理，通過(guò)二維面的金相組織試樣成型的磨面或金屬薄板片顯微組織的觀察、測(cè)量和計(jì)算來(lái)綜合判定金屬合金的組織結(jié)構(gòu)、三維空間結(jié)構(gòu)造型，并組建金屬金相組織的成分與性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。加上計(jì)算機(jī)的圖像處理知識(shí)的原理和靈活運(yùn)用，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是具備速度快和精度高的優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

3.1 金相組織的試樣件制備

本次用于實(shí)驗(yàn)的試件為4塊，其中3塊經(jīng)過(guò)熱處理，1塊為初始試件，將經(jīng)過(guò)熱處理的試件均用砂輪做打磨處理，主要是清除附著在試件表面上的氧化層和其他雜質(zhì)，分別在300～1000號(hào)金相砂紙上依次打磨，再進(jìn)行金相拋光，最后利用2%的硝酸酒精溶液腐蝕，合理控制腐蝕時(shí)間，用金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

3.2 試樣金相組織的結(jié)構(gòu)

利用全局射場(chǎng)型號(hào)的金相顯微鏡觀察和分析4種40Cr試件的金相組織，在顯微鏡500X的倍數(shù)下放大，觀察的金相組織結(jié)構(gòu)圖分別見(jiàn)圖4、圖 5、圖 6 和圖 7。

3.3 試件金相組織的分析

從上述的金相組織圖看出，P1的40Cr試件的金相組織為下貝氏體+合金滲碳體+回火馬氏體；P2的40Cr試件的金相組織為下貝氏體+合金滲碳體+馬氏體+回火馬氏體；P3的40Cr試件的金相組織為合金滲碳體+馬氏體+回火馬氏體；P4的40Cr試件的金相組織為合金滲碳體+回火馬氏體。

（1）下貝氏體

下貝氏體由碳化物和飽和含碳量的鐵素體組成，是形態(tài)分布不均勻的鐵素體與滲碳體混合體[8]。下貝氏體的結(jié)構(gòu)組織具有較高強(qiáng)度和韌性，因此綜合力學(xué)性比較好，耐磨性好，減少了40Cr鋼的開(kāi)裂和變形。結(jié)果得出：下貝氏體+馬氏體組織的耐磨性能要大于馬氏體或下貝氏體組織的耐磨性能。

（2）馬氏體

馬氏體以?shī)W氏體的薄膜為中心，具備高硬度、強(qiáng)度、良好的塑性以及韌性，在相同硬度的條件下，馬氏體的耐磨性比其他金相組織的高。尤其是在回火處理后，小晶粒的滲碳體從馬氏體中析出，使?jié)B碳體具有良好的抗磨損性和高強(qiáng)韌性的特點(diǎn)。馬氏體的含碳量小于0.5%時(shí)，生成片狀與板條組成的馬氏體。馬氏體中的碳含量高，在淬火后能夠提高40Cr鋼的抗磨損性能。

（3）合金滲碳體

部分鐵原子被C和S原子所替換，形成了以滲碳體為本體的固溶體，如 Fe、Mn、C及 Cr組成的金滲碳體，被稱作合金滲碳體。在特定的條件下40Cr鋼耐磨性可以提高。

（4）回火馬氏體

回火馬氏體是馬氏體在100～200℃條件下的回火處理中形成的。由回火馬氏體組成的結(jié)構(gòu)，在SEM光學(xué)顯微鏡下為暗色的針狀組織，和貝氏體的結(jié)構(gòu)相類似，一些非常細(xì)小的碳化物斑點(diǎn)在顯微鏡倍數(shù)高的時(shí)候可以看到。針狀的回火馬氏體具備有高耐磨性、高強(qiáng)度和高韌性的特征。

綜上所述，從強(qiáng)度、硬度、抗疲勞性以及韌性方面可以得出40Cr鋼熱處理后的性能：P2金相組織＞P3金相組織＞P1金相組織＞P4金相組織。

3.4 40Cr試件機(jī)械的性能分析

主要從硬度和變形量?jī)煞N指標(biāo)對(duì)4種試件進(jìn)行測(cè)試。

硬度測(cè)試的原理[9-10]是利用金屬材料的洛氏硬度來(lái)測(cè)試經(jīng)過(guò)不同熱處理后的試件和初始試件，具體是利用一金剛石的圓錐體，施加特定的載荷，向40Cr試件的表面壓入，并持續(xù)一段時(shí)間后去除載荷，按照被金剛石的圓錐體下壓的深度來(lái)測(cè)定4個(gè)40Cr試件下壓的深度。傳統(tǒng)熱處理工藝路線P1，本文1.2節(jié)所述熱處理工藝路線P2，傳統(tǒng)改進(jìn)型熱處理路線P3，不做任何熱處理的初始試件P4，測(cè)試中的試件硬度均是平均值，如圖8所示，試件變形量如圖9所示。

圖8 試件硬度比較

圖9 試件變形比較

4種試件的硬度測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。本文熱處理工藝路線P2的硬度是最高的，變形量是最小的。硬度的大小依次順序?yàn)镻2＞P3＞P1＞P4，變形量大小的順序?yàn)?P2＜P3＜P1＜P4。

4.結(jié)論

本文對(duì)40Cr鋼的4個(gè)試件，其中3件熱處理后的，1件初始試件，從觀測(cè)它們的金相組織結(jié)構(gòu)，測(cè)試P1、P2、P3和P4試件各自的硬度和變形量，得出如下結(jié)論。

（1）試件的硬度順序是：P2＞P3＞P1＞P4；

（2）試件的沖擊韌性順序是：P2＜P3＜P1＜P4；

（3）本文1.2節(jié)所述熱處理工藝路線使40Cr試件的變形量降低，硬度得到提高，更具耐磨性能。