40Cr鋼等溫正火工藝探討

重慶長風機器有限責任公司軍品技術質量部 （江津 602264） 陳金榮

等溫正火作為先進的零件預備熱處理工藝，目前廣泛用于汽車零件的低碳低合金滲碳鋼，而中碳合金鋼的等溫正火工藝幾乎沒有介紹。本文依據鋼的熱處理相變原理和40Cr鋼過冷奧氏體等溫轉變圖，結合工廠生產條件，在多次試驗的基礎上，確定了40Cr鋼較佳的等溫正火工藝并用于生產，取得了很好的效果。

一、問題的提出

我公司某特種產品有個關鍵主件（Q機）坯件采用溫擠壓工藝成形，材料為40Cr鋼，形狀如圖1所示。

圖1 Q機坯件示意

原坯件的預備熱處理采用正火，零件的工藝流程：下料→溫擠壓→正火→機加工→熱處理→裝配。坯件正火后在加工圖2所示的φ16mm孔系（深孔）時，每批有10%～20%的零件在鉆孔中有硬質點，出現鉆不動“打刀”的現象。

圖2 Q機加工示意

鉆不動的坯件再重新進行正火或高溫回火或調質處理后，效果不明顯，仍鉆不動，嚴重影響了生產進度和產品質量。

二、40Cr鋼等溫正火工藝制訂

1. 40Cr鋼加熱相變

40Cr鋼的Ac1約為743℃、Ar1約為694℃、Ac3約為782℃。實際生產中，奧氏體化溫度常采用840～860℃以充分均勻化。含鉻的碳化物不易溶解，加熱不足時，可能有少量殘留碳化物。

2. 設備

（1）可控氣氛多用爐（前室帶頂緩冷）VKES4/2—70/85/130CN——用于零件的奧氏體化及急冷。

可控氣氛多用爐由帶頂緩冷的前室、淬火油槽、可控氣氛加熱室、料盤驅動機構、中間門升降機構、前門升降及密封機構、電動升降等部分組成。工件用裝料小車推進帶頂緩冷的前室，料盤從前室至后室的往返由后驅動裝置完成。全部的機械動作按已設定的程序自動完成。后室采用電加熱的輻射管。在前室頂部的緩冷內裝有氣體循環冷卻風扇及導流裝置，在頂緩冷室周圍設有油循環冷卻的鋼板焊接夾層，當工件進入緩冷室時，通過夾層中的油將熱量帶走。夾層循環油冷卻采用熱管式空冷換熱器，冷卻效率高。保護氣氛是氮－甲醇。

（2）箱式高溫回火爐KES4/2—70/85/130CN——用于零件的等溫。高溫回火爐爐膛內設置了耐熱鋼制導流套，電加熱絲安裝于爐膛內壁和導流套之間，爐氣通過頂置的離心風扇，形成良好的導流加熱系統，保證了加熱均勻，溫度偏差小。另外，還可通氮氣進行保護氣氛下加熱。

3. 工藝流程

裝夾→多用爐后室奧氏體化加熱、保溫→出后室到前室急冷→出爐迅速轉到箱式回火爐等溫→出爐空冷。

4. 等溫正火工藝參數的制訂

等溫正火是將鋼加熱至奧氏體化（與普通正火相同），然后迅速冷至Ar1以下某一溫度等溫，使過冷奧氏體在該溫度下轉變為均勻細小的珠光體，再自由空冷。

（1）零件的裝夾 等溫正火對零件裝爐方式要求較為嚴格，主要目的是為了在中間冷卻階段獲得良好的冷卻均勻性，避免散熱的不均勻和散熱“死角”。零件采用立式分層、網格定位下支撐的方式裝爐，這樣可保證加熱、冷卻時氣流從下向上流動，以確保零件的加熱、冷卻快速均勻。

（2）奧氏體化溫度和時間的確定 奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，組織均勻性越好。此階段的工藝參數與普通正火的基本相同，只是應注意裝爐量和裝爐方式。對于本試驗的40Cr零件采用860℃×60min的規范。

（3）急冷方式 急冷是本工藝的關鍵工序。目的是使奧氏體化后的零件以足夠快的冷速通過兩相區（F+P），抑制碳及其合金元素的遠程擴散，以避免帶狀組織出現。其冷卻方式是讓出爐后的零件迅速進入一個專用冷卻裝置。零件在多用爐后室加熱均溫后，按預定程序轉到前室并打開氣體循環冷卻風扇，通過夾層的油將熱量帶走，使零件的溫度均勻快速下降。根據多次試驗，急冷取12min較合適。

（4）等溫溫度和時間的確定 等溫溫度主要依據零件的硬度要求而定，硬度要求較低時溫度取靠上限，反之取靠下限。等溫時間應依據材料等溫轉變圖、裝爐量和零件的有效厚度等加以確定，充分保證奧氏體向F+P完全轉變有足夠的時間。本工藝的等溫設備采用箱式回火爐，用爐外的裝卸小車把零件從多用爐轉移到箱式回火爐。當零件從多用爐轉入之前應把箱式回火爐的溫度升到等溫溫度。本試驗的40Cr零件采用680℃等溫，時間為3h，另外從多用爐轉入回火爐的轉移時間越短越好，一般不超過2min。

（5）等溫后冷卻 等溫后的冷卻速度從理論上講已不影響相變，故可采用空冷、風冷或水冷，但為了使零件表層的殘留應力最低，等溫后以自由空冷為宜。

三、結果與討論

由于Q機溫擠壓成形時采用中頻透熱的加熱方式，加熱速度快，溫度低，保溫時間短，加上成形時的變形量小（即鍛造比），造成材料的成分不均勻性大，進而影響組織和性能的均勻性。生產實踐表明，這種組織通過正火、正火+高溫回火或調質的方式不能完全加以改善，從而影響材料的可加工性。

40Cr鋼制Q機經多用爐860℃×60min加熱→前室快冷12min→快速轉入680℃的回火爐內保溫3h→出爐空冷的等溫正火處理后，材料的組織均勻，性能穩定（硬度波動小），零件的可加工性大大提高。通過兩年10萬件的加工實踐，在加工中因硬質點存在產生的“打刀”現象沒有了，加工一件的時間縮短了20%。

四、結語

（1）等溫正火工藝用于40Cr等中碳結構鋼，可實現零件質量的有效控制，從而改善可加工性，而且效果顯著。

（2）等溫正火工藝制訂的關鍵是按奧氏體等溫轉變圖，結合所用設備自身特點和經驗來合理地控制裝爐方式、快冷方式、快冷時間、等溫溫度和等溫時間。