40Cr亞溫淬火研究進(jìn)展

郭翠霞，謝文玲，李宗洋

（四川理工學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，四川 自貢 643000）

40Cr鋼是我國目前用量最大的合金調(diào)質(zhì)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(tǒng)熱處理工藝是調(diào)質(zhì)處理 (850℃油淬+500℃回火)，自20世紀(jì)90年代開始，出現(xiàn)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(dāng)淬火溫度大于Ac3時(shí)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(qū)內(nèi)進(jìn)行的淬火。亞溫淬火進(jìn)入兩相區(qū)有兩種方法：一種是直接加熱到兩相區(qū)，稱為直接亞溫淬火；一種是先加熱到Ac3以上，再預(yù)冷到兩相區(qū)，稱為預(yù)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(yīng)力小，零件變形小，能顯著減少復(fù)雜形狀零件的變形和避免開裂，因此生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。研究結(jié)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(qiáng)韌性，并提出了多種強(qiáng)韌化的機(jī)理。亞溫淬火的淬火溫度、回火溫度是影響40Cr組織形態(tài)的重要因素，本文綜述了近年來亞溫淬火工藝的研究進(jìn)展及提高材料強(qiáng)韌化的機(jī)制。

1 亞溫淬火溫度對力學(xué)性能的影響

與普通淬火相比，40Cr鋼經(jīng)亞溫淬火處理后，40Cr鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(tài)，從而擴(kuò)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)回火溫度一定時(shí)，隨淬火溫度的升高，其強(qiáng)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(gè)最佳值。當(dāng)淬火溫度一定時(shí)，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(xì)小殘余奧氏體。

普通淬火得到的馬氏體為細(xì)長條狀，部分微晶體的組織不是很均勻，出現(xiàn)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(xì)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(dǎo)致材料的綜合力學(xué)性能降低。

亞溫淬火時(shí)，溫度為Ac1～Ac3之間，是在鐵素體與奧氏體的兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)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(xì)小均勻分布，并在原奧氏體晶界上形成細(xì)小的奧氏體晶粒，復(fù)相區(qū)內(nèi)奧氏體晶界面積比常規(guī)熱處理的奧氏體晶界面積大10～50倍，淬火后的組織為細(xì)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(shí)，馬氏體分解，析出的細(xì)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(guān)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(xì)小。晶粒的細(xì)化使組織變得均勻，晶界面積增加。

2.2 亞溫淬火提高力學(xué)性能的機(jī)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(qiáng)度、硬度，但由于晶粒細(xì)化和奧氏體晶界總面積的增加，其強(qiáng)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(shí)會有少量彌散分布的鉻的碳化物在奧氏體化時(shí)未溶而保留下來，作為淬火馬氏體的核心促進(jìn)非自發(fā)形核，這對細(xì)化淬火組織、提高淬火工件的硬度和強(qiáng)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(xì)化晶粒的同時(shí)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(jīng)亞溫淬火處理后不僅有高的強(qiáng)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(kuò)展變得困難 (因受塑性變形或產(chǎn)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變使應(yīng)力松馳)，使鋼的脆性降低，韌脆轉(zhuǎn)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(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚的結(jié)果。P是縮小奧氏體區(qū)的元素，又有穩(wěn)定鐵素體的作用，因此P應(yīng)優(yōu)先存在于鐵素體中。故當(dāng)亞溫淬火組織中存在著一定數(shù)量細(xì)小分散的鐵素體時(shí)，P等有害雜質(zhì)元素主要集中于鐵素體的晶粒內(nèi)，從而減少了雜質(zhì)在奧氏體晶界上的偏聚，降低了因P等有害雜質(zhì)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(xì)化使晶界總面積大大增加，單位晶界面積上雜質(zhì)含量明顯減少，又進(jìn)一步減少了P等有害雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚對回火脆性的影響。

綜上所述，認(rèn)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(tǒng)工藝淬火的晶粒更為細(xì)小；②殘余鐵素體高度彌散分布，并不會使強(qiáng)度降低，反而使產(chǎn)生脆性的雜質(zhì)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(kuò)張的阻力，顯著地提高了材料的斷裂韌性。

3 結(jié)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(qiáng)度及硬度，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度則下降了近20℃，回火脆性降低，綜合力學(xué)性能提高。

（2）亞溫淬火提高綜合力學(xué)性能的原因在于在兩相區(qū)間亞溫淬火時(shí)有未溶且呈高度彌散分布的細(xì)小塊狀鐵素體的作用使其晶粒細(xì)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(dāng)，太高或太低都對提高其力學(xué)性能不利，存在一個(gè)最佳值。

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