40Cr亞溫淬火研究進展

郭翠霞，謝文玲，李宗洋

（四川理工學院 機械學院，四川 自貢 643000）

40Cr鋼是我國目前用量最大的合金調質鋼之一，廣泛用于軸類、連桿、螺栓和重要齒輪等零部件，其傳統熱處理工藝是調質處理 (850℃油淬+500℃回火)，自20世紀90年代開始，出現了一種新的淬火工藝——亞溫淬火。

由40Cr鋼的Ac1溫度為743℃，Ac3溫度為800℃，淬火溫度在Ac1～Ac3之間屬于亞溫淬火，當淬火溫度大于Ac3時為普通淬火。亞溫淬火的溫度為Ac1～Ac3之間，因此是在鐵素體與奧氏體的兩相區內進行的淬火。亞溫淬火進入兩相區有兩種方法：一種是直接加熱到兩相區，稱為直接亞溫淬火；一種是先加熱到Ac3以上，再預冷到兩相區，稱為預冷淬火。一般選用直接亞溫淬火。

與普通淬火相比，亞溫淬火的加熱溫度低，因此熱應力小，零件變形小，能顯著減少復雜形狀零件的變形和避免開裂，因此生產中得到廣泛的應用。研究結果表明，通過亞溫淬火工藝，改變了40Cr鋼的顯微組織，從而提高了40Cr的強韌性，并提出了多種強韌化的機理。亞溫淬火的淬火溫度、回火溫度是影響40Cr組織形態的重要因素，本文綜述了近年來亞溫淬火工藝的研究進展及提高材料強韌化的機制。

1 亞溫淬火溫度對力學性能的影響

與普通淬火相比，40Cr鋼經亞溫淬火處理后，40Cr鋼的硬度、抗拉強度和屈服強度略有下降，塑性則得到一定提高，特別是其低溫沖擊韌性有明顯的提高，這使40Cr鋼能在更低的溫度下處于韌性狀態，從而擴大40Cr鋼的使用范圍。除此之外，40Cr鋼亞溫淬火還可抑制其回火脆性。

實驗證明，當回火溫度一定時，隨淬火溫度的升高，其強度、硬度和耐磨性增加，塑韌性也略有增加，但淬火溫度超過一定值后開始下降，性能接近普通淬火，因此40Cr鋼亞溫淬火的淬火溫度存在一個最佳值。當淬火溫度一定時，40Cr鋼的硬度隨回火溫度的升高而降低。

2 亞溫淬火對組織的影響及討論

2.1 亞溫淬火回火后的組織

40Cr鋼亞溫淬火回火后，金相組織為少量游離鐵素體+回火索氏體+彌散分布的細小殘余奧氏體。

普通淬火得到的馬氏體為細長條狀，部分微晶體的組織不是很均勻，出現很寬的板條。在普通淬火后的回火組織中，從板條馬氏體中會析出細小的顆粒狀第二相，但是組織并不是很均勻，仍然存在大塊狀的馬氏體，導致材料的綜合力學性能降低。

亞溫淬火時，溫度為Ac1～Ac3之間，是在鐵素體與奧氏體的兩相區內進行的，由于加熱溫度低于普通淬火，晶粒長大傾向較小，未溶的鐵素體相呈細小均勻分布，并在原奧氏體晶界上形成細小的奧氏體晶粒，復相區內奧氏體晶界面積比常規熱處理的奧氏體晶界面積大10～50倍，淬火后的組織為細小、分布均勻的板條馬氏體，并且在板條馬氏體的晶界處存在部分白色小塊狀的鐵素體晶粒。亞溫淬火后回火時，馬氏體分解，析出的細小顆粒狀的第二相呈彌散分布，并與母相保持了一定的共格關系，因此最終獲得具有一定生長方向的回火索氏體，且組織特別細小。晶粒的細化使組織變得均勻，晶界面積增加。

2.2 亞溫淬火提高力學性能的機制

與普通淬火相比，雖然由于鐵素體的存在會降低材料的強度、硬度，但由于晶粒細化和奧氏體晶界總面積的增加，其強度、硬度只略有下降，但材料的塑性和韌性得到大大提高。另有資料指出，40Cr鋼亞溫淬火時會有少量彌散分布的鉻的碳化物在奧氏體化時未溶而保留下來，作為淬火馬氏體的核心促進非自發形核，這對細化淬火組織、提高淬火工件的硬度和強度是有益的。少量未溶鐵素體和彌散分布的Cr的碳化物共同作用，在細化晶粒的同時也有利于滑移和晶界移動的晶粒取向，因而相對提高了材料的塑性，使40Cr鋼經亞溫淬火處理后不僅有高的強度和硬度，而且有良好的塑性和韌性。

殘余奧氏體的存在使裂紋的擴展變得困難 (因受塑性變形或產生部分馬氏體轉變使應力松馳)，使鋼的脆性降低，韌脆轉變溫度下降了近20℃。

鋼的回火脆性是由于鋼中P等有害雜質元素在奧氏體晶界偏聚的結果。P是縮小奧氏體區的元素，又有穩定鐵素體的作用，因此P應優先存在于鐵素體中。故當亞溫淬火組織中存在著一定數量細小分散的鐵素體時，P等有害雜質元素主要集中于鐵素體的晶粒內，從而減少了雜質在奧氏體晶界上的偏聚，降低了因P等有害雜質元素在奧氏體得晶界上偏聚而引起的回火脆性。此外，由于晶粒細化使晶界總面積大大增加，單位晶界面積上雜質含量明顯減少，又進一步減少了P等有害雜質元素在奧氏體晶界偏聚對回火脆性的影響。

綜上所述，認為40Cr鋼亞溫淬火提高材料性能的主要原因是：①亞溫淬火的奧氏體晶粒比傳統工藝淬火的晶粒更為細小；②殘余鐵素體高度彌散分布，并不會使強度降低，反而使產生脆性的雜質原子(P、Si、Sb等)富集于殘余的鐵素體中，減少了在奧氏體晶界處偏聚，從而降低回火脆性，提高低溫韌性；③殘余鐵素體的存在也增加了裂紋擴張的阻力，顯著地提高了材料的斷裂韌性。

3 結語

（1）與普通淬火相比，亞溫淬火可大大提高40Cr鋼的塑性、韌性，并保留較高的強度及硬度，其韌脆轉變溫度則下降了近20℃，回火脆性降低，綜合力學性能提高。

（2）亞溫淬火提高綜合力學性能的原因在于在兩相區間亞溫淬火時有未溶且呈高度彌散分布的細小塊狀鐵素體的作用使其晶粒細化及增大奧氏體晶界總面積。

（3）亞溫淬火的淬火溫度需適當，太高或太低都對提高其力學性能不利，存在一個最佳值。

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