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(xiàn)

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?。ㄈ玢U?。┖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(xiàn)。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(xiàn)（見(jiàn)圖3）上進(jìn)行。生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)

（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(xiàn)、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、尺寸較小（有效厚度≤10mm)、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。