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        40Cr鋼少無(wú)畸變熱處理技術(shù)研究

        2023-02-02 07:09:24王琛孝陳金榮范紅山
        金屬加工(熱加工) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:貝氏體等溫淬火

        王琛孝,陳金榮,范紅山

        重慶建設(shè)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司熱表公司 重慶 402260

        1 序言

        熱處理的主要任務(wù)是使鋼鐵零件獲得力學(xué)性能所需要的金相組織。但在通過(guò)熱處理工藝手段獲得所需的金相組織的同時(shí),卻產(chǎn)生了人們所不希望的變形情況。工件的淬火變形是當(dāng)今熱處理行業(yè)乃至機(jī)械制造行業(yè)的重大難題。說(shuō)它“難”,一是指變形問(wèn)題“太復(fù)雜”和“牽涉面太廣”,從零件設(shè)計(jì)、鋼材品種及其質(zhì)量、冷熱加工和人為因素,到熱處理生產(chǎn)的各個(gè)細(xì)節(jié),都可能成為淬火變形的影響因素;二是指其幾乎“無(wú)規(guī)律可循”。雖然解決淬火變形問(wèn)題的措施很多,但效果“時(shí)靈時(shí)不靈”,常讓人無(wú)所適從。因此,如何減少熱處理變形、提高使用壽命,仍是熱處理工作者的一項(xiàng)重要研究課題。

        我公司生產(chǎn)的某特種產(chǎn)品中有一個(gè)關(guān)鍵件,材料為40Cr鋼,要求硬度40~48HRC,熱處理后尺寸要求如圖1所示。零件要在相當(dāng)高的沖擊載荷、冷熱反復(fù)交替的環(huán)境下工作,應(yīng)具備高強(qiáng)度和韌性配合。其加工流程:下料→壓力加工→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→熱處理→裝配。零件的最終熱處理是在成品下進(jìn)行,形狀復(fù)雜不對(duì)稱(chēng),零件每個(gè)位置的厚度不均,熱處理后主要尺寸不再進(jìn)行機(jī)械加工,即未給予熱處理分配尺寸公差。零件熱處理變形后通過(guò)校正方法挽救難度大,報(bào)廢率高,因此在保證零件使用性能的前提下,如何控制零件的熱處理變形,是制定熱處理工藝的關(guān)鍵之一。由于下貝氏體組織的突出特點(diǎn)是沖擊韌度、斷裂韌度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性好,表面殘余壓應(yīng)力[1],因此在目前的熱處理工藝條件下,采用下貝體等溫淬火工藝是最佳選擇。

        圖1 某關(guān)鍵主件結(jié)構(gòu)

        2 試驗(yàn)材料及方法

        2.1 試驗(yàn)材料

        (1)40Cr鋼的化學(xué)成分 40Cr 是具有一定淬透性和較好綜合力學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼,廣泛應(yīng)用于制造各種機(jī)器零件。根據(jù) GJB 2720—1996《輕武器用結(jié)構(gòu)鋼鋼棒規(guī)范》 的規(guī)定,40Cr鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        表1 40Cr鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        (2)40Cr鋼的合金化 Cr在鋼中可以形成碳化物或溶入鐵素體。經(jīng)過(guò)奧氏體化后,溶入奧氏體中的Cr能降低碳的擴(kuò)散速度,延長(zhǎng)過(guò)冷奧氏體的孕育期,也就是減緩?qiáng)W氏體的分解速度,使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖和奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖右移,從而提高鋼的淬透性[2]。根據(jù) 40Cr鋼中的C、Cr含量估計(jì),Cr生成的碳化物主要是(Fe、Cr)3C,在偏析的高濃度區(qū),也可能有少量的(Cr、Fe)7C、(Cr、Fe)23C6。Cr在鋼中對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變的影響,只有當(dāng)Cr溶入奧氏體后才是有效的,如果存在大量未溶碳化物,Cr的作用就不可能充分發(fā)揮出來(lái)。

        C r對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化作用十分微弱,在鋼的力學(xué)性能方面,Cr主要通過(guò)提高淬透性和回火穩(wěn)定性間接作出貢獻(xiàn)。淬透性的提高,使得在較大截面上也能獲得均勻的淬火組織;回火穩(wěn)定性的提高,可以在不降低強(qiáng)度的情況下,采用較高的回火溫度,以提高塑性和韌性。Cr有促進(jìn)回火脆性的作用,并可提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,但在Cr含量不高時(shí),這種作用尚不十分顯著。

        (3)40Cr鋼的相變特點(diǎn)和組織形態(tài)

        1)加熱相變:40Cr鋼的Ac1約為743℃、Ac3約為782℃、Ms點(diǎn)330℃。在實(shí)際生產(chǎn)中,奧氏體化溫度常采用840~860℃,以充分均勻化。含Cr的碳化物不易溶解,加熱不足時(shí),可能有少量碳化物殘留。

        2)冷卻相變(過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變):根據(jù)40Cr鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖(見(jiàn)圖2)可知[3],在Cr的作用下,圖中的珠光體和貝氏體兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)分離,使得 470~630℃區(qū)間的轉(zhuǎn)變速度減慢,轉(zhuǎn)變過(guò)程延長(zhǎng)。過(guò)冷奧氏體在Ar3~Ar1區(qū)間等溫停留,可生成先共析鐵素體,但轉(zhuǎn)變不可能進(jìn)行完畢,隨著鐵素體量的增加,奧氏體也趨于穩(wěn)定。Ar1~530℃為鐵素體-珠光體轉(zhuǎn)變區(qū),奧氏體發(fā)生先共析鐵素體轉(zhuǎn)變,然后分解為珠光體。530℃至Ms點(diǎn)(330℃)附近,為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有粒狀貝氏體、上貝氏體和下貝氏體。等溫溫度>450℃時(shí),主要為粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變,而在330~360℃時(shí),則主要為下貝氏體轉(zhuǎn)變。由于各種貝氏體轉(zhuǎn)變沒(méi)有嚴(yán)格的溫度界限,在貝氏體區(qū)等溫轉(zhuǎn)變后,往往得到幾種貝氏體的混合組織。<330℃時(shí),進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū),奧氏體在馬氏體區(qū)等溫停留,繼部分馬氏體轉(zhuǎn)變后將發(fā)生部分下貝氏體轉(zhuǎn)變,等溫溫度越高,下貝氏體量越多[4]。

        圖2 40Cr鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

        2.2 試驗(yàn)方法

        (1)40Cr鋼貝氏體等溫淬火工藝的制定 將鋼制工件加熱奧氏體后,淬入熱浴中保溫足夠時(shí)間,使全部或部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織,隨后空冷到室溫的熱處理工藝,稱(chēng)為貝氏體等溫淬火。

        (2)設(shè)備及淬火冷卻介質(zhì)

        1)淬火加熱:可根據(jù)不同材料和零件特點(diǎn),采用中性鹽浴爐或可控氣氛爐。

        2)等溫淬火冷卻介質(zhì):等溫淬火介質(zhì)有硝鹽、金屬浴(如鉛?。┖土鲬B(tài)爐,但通常使用等溫淬火介質(zhì)是45%NaNO2+55%KNO3硝鹽浴。因?yàn)槭褂孟觖}浴具有較高的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,鹽浴本身的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、均勻性好,適合于連續(xù)生產(chǎn)線。硝鹽沒(méi)有老化、分解的問(wèn)題,也不存在淬火冷卻介質(zhì)使用一定時(shí)間后的廢棄問(wèn)題,可以回收反復(fù)使用:零件熔鹽淬火清洗后,進(jìn)行鹽水分離,被帶出的鹽可100%回收利用,做到零排放。另外,產(chǎn)品質(zhì)量好,硝鹽的冷卻速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)水含量進(jìn)行控制(介于熱油冷卻度速和4倍油速之間),十分簡(jiǎn)單方便。熔鹽淬火過(guò)程中沒(méi)有蒸汽膜階段,高溫區(qū)冷卻速度很快,但在低溫區(qū)等溫時(shí)冷卻速度近乎為零,工件變形小,且保證了零件力學(xué)性能的一致性[5]。目前,國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家使用鹽浴淬火工藝已經(jīng)很普遍。

        (3)淬火加熱溫度 對(duì)于40Cr鋼來(lái)說(shuō),與一般的淬火相同,可根據(jù)具體零件的尺寸、形狀、硬度和變形量的要求,在 820~870℃之間選擇。在零件有效厚度較大、硬度要求較高時(shí),為了增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性,以避免冷卻過(guò)程中珠光體的形成,使等溫淬火易于進(jìn)行,常將奧氏體化溫度適當(dāng)提高,取溫度的上限;反之則取下限。零件在保證性能的前提下,為了盡量減小熱應(yīng)力,最大限度地減少淬火變形,淬火溫度要取下限。

        (4)等溫溫度 根據(jù)40Cr鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖(見(jiàn)圖2)可知,40Cr鋼等溫淬火的等溫溫度通常選擇330~360℃,等溫淬火后的硬度是40~48HRC。具體的溫度應(yīng)根據(jù)零件形狀、尺寸、硬度及變形要求等選擇。若等溫溫度高,則熱處理后硬度低、變形量小。對(duì)于同一零件,為了保證零件質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性[6],等溫溫度的波動(dòng)越小越好,一般不超過(guò)5℃。等溫槽溫度均勻性必須保證在±6℃范圍內(nèi)或更高。

        (5)等溫時(shí)間 等溫時(shí)間的選擇取決于鋼材的成分、工件的尺寸與形狀、等溫溫度等因素。對(duì)于采用結(jié)構(gòu)鋼制造的機(jī)器零件,等溫時(shí)間應(yīng)能保證盡可能多的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w,以獲得良好的力學(xué)性能的組合[7]。其具體的等溫時(shí)間則應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。根據(jù)40Cr鋼過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖可知,在330~360℃之間下貝氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束的時(shí)間≤20min,但在實(shí)際工程應(yīng)用中,等溫時(shí)間通常取30min。

        (6)回火 零件經(jīng)等溫淬火后一般無(wú)需進(jìn)行回火,對(duì)于性能要求較高的零件,等溫淬火同樣需要回火,回火溫度一般低于等溫溫度,在200℃左右補(bǔ)充回火一次[8]?;鼗鸬哪康氖鞘关愂象w轉(zhuǎn)變不完全,隨后生成的馬氏體重新加熱獲得回火馬氏體,并促進(jìn)淬火后的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變,使淬火后所得各種組織的性能均勻[9],回火同樣有穩(wěn)定尺寸的作用。

        2.3 等溫淬火工藝

        (1)工藝設(shè)備 工藝在 P300 的底裝料立式多用爐生產(chǎn)線(見(jiàn)圖3)上進(jìn)行。生產(chǎn)線的組成:加熱爐、鹽冷淬火槽、水冷淬火槽、油冷淬火槽、加熱爐、油清洗機(jī)、鹽清洗機(jī)、兩臺(tái)低溫回火爐、兩臺(tái)高溫回火爐及爐外運(yùn)輸料車(chē)。

        圖3 底裝料爐生產(chǎn)線

        (2)工藝流程 裝夾→清洗→淬火加熱→硝鹽等溫淬火→清洗→回火→下架。

        (3)工藝參數(shù)

        1)裝夾:夾具是模塊式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),可按被熱處理零部件的高度分別組合成多層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊掛或盛放。批量裝爐方式:分層垂直懸掛方式。用φ4.5mm的鋼條穿過(guò)零件 5mm×8mm的方孔,然后鋼條架在網(wǎng)格凈空為32mm×32mm的格柵上,格柵中間的8個(gè)孔不裝零件。采用分三層懸掛(見(jiàn)圖4)方式,每層100件,每爐裝爐量為300件。

        圖4 裝爐方式

        2)前清洗在La2油清洗機(jī)上進(jìn)行。

        3)加熱及保溫:11Cg(φ500mm×700mm)電加熱式底裝料立式加熱爐,氣氛系統(tǒng)采用氮+甲醇可控氨基保護(hù)氣氛,加熱溫度(840±10)℃,保溫為40min。

        4)等溫淬火:3B電加熱硝鹽槽,淬火冷卻介質(zhì)為德潤(rùn)寶AS135等溫淬火鹽,配方為45%NaNO2+55%KNO3,溫度為(350±5)℃,進(jìn)槽后快速攪拌冷卻3min,然后慢速攪拌冷卻27min,再出爐空冷15min。

        5)清洗:La3鹽清洗機(jī),以去除零件及裝具上的殘留硝鹽。

        6)回火:5 E 低溫回火爐,回火工藝為(200±20)℃ ×2h,出爐空冷。

        7)檢測(cè)硬度及變形量。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        3.1 試驗(yàn)結(jié)果

        進(jìn)行了一爐300件工藝摸底,試驗(yàn)前100%檢查了尺寸21.2H12、底平面平面度0.1mm、φ16mm 同軸度0.04mm 共3個(gè)尺寸,選擇3個(gè)尺寸全部合格的零件按上述工藝進(jìn)行熱處理。

        (1)硬度 100%檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

        (2)尺寸 100%檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 尺寸檢測(cè)結(jié)果

        (3)顯微組織 等溫淬火后的金相組織如圖5所示。

        圖5 等溫淬火后的金相組織

        從圖5a中可看出,40Cr鋼在(350±5)℃等溫淬火后,其組織結(jié)構(gòu)均勻,是由鐵素體和碳化物組成的下貝氏體組織。從圖5b可看出,顯微組織呈黑色針狀或竹葉狀,并呈細(xì)小、彌散短條狀排列[10]。

        (4)使用壽命 裝配后經(jīng)3000次使用壽命試驗(yàn),零件無(wú)破斷、變形,完好無(wú)損。

        3.2 等溫淬火特點(diǎn)

        1)與普通淬火-回火(中低溫回火)相比,在同樣的硬度條件下沖擊韌度好。

        2)經(jīng)等溫淬火后,組織結(jié)構(gòu)均勻,內(nèi)應(yīng)力很小,顯微和超顯微裂紋產(chǎn)生的可能性很小,其疲勞強(qiáng)度可大大增加,從而在很大程度上延長(zhǎng)了零件的使用壽命。

        3)由于等溫淬火可縮小溫差,減小熱應(yīng)力,且組織轉(zhuǎn)變成下貝氏體,減小了比容變化,即減小了因體積膨脹而產(chǎn)生的組織應(yīng)力,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都大大減小,因此變形量小,甚至可達(dá)到無(wú)淬火變形,因而等溫淬火很適用一些精密的結(jié)構(gòu)零件。

        4)對(duì)于性能要求較高的零件,等溫淬火同樣需要回火,回火溫度一般低于等溫溫度,回火的目的是因貝氏體轉(zhuǎn)變不完全,從而使隨后生成的馬氏體重新加熱獲得回火馬氏體,并促進(jìn)淬火后的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變,使淬火后所得各種組織的性能均勻。另外,回火同樣有穩(wěn)定尺寸的作用。

        5)等溫槽的溫度較高時(shí),冷卻能力低,對(duì)于硬化性能較差的零件,很可能當(dāng)零件尚未冷卻到等溫溫度時(shí),過(guò)冷奧氏體就部分發(fā)生了珠光體轉(zhuǎn)變,因此用等溫淬火的零件大小要受到限制。

        3.3 預(yù)備熱處理

        預(yù)備熱處理的作用是得到細(xì)小、均勻的組織,為淬火作準(zhǔn)備。40Cr鋼的預(yù)備熱處理有退火、正火和調(diào)質(zhì)。生產(chǎn)實(shí)踐表明,40Cr鋼等溫淬火時(shí),為了盡可能減少變形,調(diào)質(zhì)作為預(yù)備熱處理是最佳的方式。

        3.4 等溫淬火應(yīng)注意事項(xiàng)

        1)必須嚴(yán)格控制等溫槽的溫度,一般應(yīng)控制在±5℃范圍內(nèi)。

        2)零件在加熱時(shí)加熱的吊掛或裝爐的方法,要防止因零件吊掛不當(dāng)及自重而造成的變形。

        3)40Cr鋼等溫淬火工藝參數(shù)理論和實(shí)際存在一定的差異。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        1)40Cr鋼等溫淬火工藝的制定,應(yīng)根據(jù)材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線、零件的性能要求,通過(guò)試驗(yàn)制定出較為合理的等溫溫度和等溫時(shí)間。

        2)對(duì)于40Cr鋼制形狀復(fù)雜、尺寸較?。ㄓ行Ш穸取?0mm)、要求變形量小,以及處理后要求具備高強(qiáng)度和韌性配合的重要零件,在目前的熱處理工藝條件下,淬火工藝是最合適的。

        3)最優(yōu)化的熱處理工藝不可能是千篇一律的,同種材料的各項(xiàng)性能都會(huì)因熱處理方法及其工藝參數(shù)的不同而改變,各項(xiàng)性能指標(biāo)又常會(huì)此消彼長(zhǎng)。

        4)選擇合適的熱處理工藝參數(shù)、獲得與工件的使用狀況和失效方式相適應(yīng)的最佳綜合性能,才有可能制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

        5)正確的裝夾方式和裝爐量,是保證零件熱處理過(guò)程加熱、冷卻均勻的前提,也是保證零件熱處理質(zhì)量穩(wěn)定性、均勻性的前提。

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