40Cr熱處理工藝剖析

戰中學+劉澤林+劉國忠+李海豹+宋亞輝+鄭宏偉

摘要：金屬材料熱處理是機械加工制造的重要環節，熱處理的結果直接影響機械零部件的性能及壽命，如果熱處理掌握不好，可能造成設備故障率高、維修率高，甚至造成重大安全事故。文章通過不同的淬火溫度、回火溫度對40Cr進行熱處理，通過處理后的出現的問題及對數據和金相組織分析，最終確定最合理的熱處理參數及工藝。

關鍵詞：熱處理；40Cr；熱處理參數

中圖分類號：TGl62 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0042-03

眾所周知，40Cr是一個比較成熟的鋼種，但由于各個鋼廠生產的40Cr，雖然化學成分都在合格范圍之內，可仍有上下限的差別和冶煉方法的區別，因此在熱處理時也應有所不同。我們購買的40Cr來自首鋼、杭鋼和承鋼三個鋼廠，它們的化學成分均不盡相同，為此必須先進行試驗，以確定合理的熱處理工藝。本文僅對杭鋼產40Cr的熱處理試驗與生產作總結說明，供參考。

1 40Cr鋼的基本情況

1.1 40Cr的化學成分（%）

C Si Mn Cr

0.37-0.44 0.17-0.37 0.50-0.80 0.80-1.10

1.2 40Cr的部分物理性能

密度：7.87克/cm3；熔點：1400℃

臨界點：AC1：747℃、AC3：784℃、Ar3：729℃、Ar1：674℃

1.3 40Cr的力學性能

當850℃油淬，520℃回火，油冷時力學性能為：

σ，MPa σ，MPa δ，% ψ，% AKV，J

980 785 9 45 47

2 材料來源與化學成分

材料是杭鋼生產的規格為φ75×6000mm的棒料，其化學成分如下（表1）：

表1 杭鋼生產的40Cr的化學成分（%）

C Si Mn P S Cr Ni Cu

0.39 0.30 0.59 0.028 0.008 0.91 0.04 0.05

3 熱處理設備情況

淬火爐兩臺：KM350/13內膛尺寸1500×600×600mm；KM540/13內膛尺寸1200×700×450mm，兩臺淬火爐均為2010年制造，德國生產。

回火爐兩臺：型號分別為：RQ4-105-9D滴控井式回火爐，RJJ-36-6井式回火爐。

洛氏硬度計：HR-150A型洛氏硬度計，山東萊州華銀制造，2011年出廠。

4 40Cr材料尺寸及熱處理后硬度要求

零件尺寸：φ73（外圓）/φ22（內孔）×340mm（長度）

熱處理后的硬度要求：

在直徑為58.5mm處的硬度為HRC36～42，每隔120°打一點，共三點。

5 對杭鋼40Cr零件的熱處理試驗

5.1 熱處理試驗

淬火和回火的裝爐量均為36根，淬火介質和回火介質均為自來水，水溫15℃～30℃，淬火和回火的裝爐溫度均為100℃左右，淬火從送電到到溫時間為120分鐘，從到溫到出爐為3小時，回火從送電到到溫90分鐘，從到溫到出爐為3小時，下表是不同淬火溫度及不同回火溫度處理后材料硬度。

5.2 數據分析

不同淬火溫度在同一回火溫度下硬度不同，同一淬火溫度下，不同的回火溫度硬度也不同，相同的淬火溫度和相同的回火溫度硬度相差很小，經過多爐試驗，測得在規定處的硬度HRC38～43，符合要求，而且硬度較

穩定。

同時在零件橫截面沿半徑方向做了硬度分析，發現橫截面的淬火硬度（沿半徑方向）由外向內的規律是高-低-較高，說明外側比內孔處的冷卻效果好些，內孔處比半徑的中心處冷卻強度大。

表2 不同淬火溫度及不同回火溫度處理后材料硬度

6 金相檢驗

6.1 金相檢驗內容

觀察不同淬火溫度和調質狀態下不同位置的組織；

1#樣890℃淬火馬氏體及其他組織、晶粒度；

2#樣860℃淬火馬氏體及其他組織、晶粒度；

3#樣860℃淬火+440℃回火，回火索氏體及其他

組織。

6.2 試驗結果

1#樣890℃淬火邊緣處：細針馬氏體+少量板條馬氏體+少量殘余奧氏體，邊部有脫碳層；中心處：細針馬氏體+少量板條馬氏體+少量上貝氏體+少量殘余奧氏體；內部處：板條馬氏體+上貝氏體+少量細針馬氏體+少量殘余奧氏體。

2#樣860℃淬火邊緣處：細針馬氏體+少量板條馬氏體+少量殘余奧氏體；中心處：細針馬氏體+板條馬氏體+少量上貝氏體+少量殘余奧氏體；內部處：上貝氏體+板條馬氏體+細針馬氏體+少量殘余奧氏體。

3#樣860℃淬火+440℃回火邊緣處：回火索氏體；中心處：回火索氏體+少量上貝氏體；內部處：回火索氏體+上貝氏體+少量鐵素體。

此結果表明：

（1）890℃淬火的組織是以細針馬氏體和板條馬氏體為主，所以從邊緣到中心部位表現出高硬度，說明已經淬透。

（2）860℃淬火組織，邊緣處和中心處以細針馬氏體和板條馬氏體為主，內部處則以上貝氏體和板條馬氏體為主，說明邊緣處和中心處已經淬透，而內部處尚未完成淬透，或者說基本淬透。

（3）860℃淬火+440℃回火時，邊緣處、中心處、和內部處都是以回火索氏體為主，由于內部處有鐵素體的存在，致使該處的硬度有所降低，但基本符合要求。

部分金相照片如下（見圖1）

圖1 890℃淬火、860℃淬火時中心處和內部處及860℃淬火+440℃回火中部區域的金相組織

7 出現的問題

在前期的一些試驗中，發現本批杭鋼生產的40Cr熱處理后有時硬度不符合要求，并且在試驗中發現890℃水淬有大小不等的裂紋，且數量較多，860℃水淬有時也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達不到要求的原因

化學成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因為Cr和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關，應從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現裂紋的原因

裂紋的產生嚴重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強烈攪動（淬火烈度高）所造成的。當符合上述條件時，鋼件便會產生內應力（熱應力和組織應力），使得零件受力出現裂紋。

8 結論與建議

為使杭鋼產40Cr達到規定的硬度要求，經多次試驗，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗表明，當金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時，說明鋼件已經淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時，則鋼件沒有淬透。當回火后有較多的鐵素體存在時，則回火后的硬度就會降低。因此當淬火溫度確定之后，可以調整回火溫度，以達到所期待的硬度。

裂紋的產生是淬火溫度高，淬火劑水的強烈攪動所造成的，此時組織應力遠大于熱應力，而內表面收到的拉應力比外表面大，致使內表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應經常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當硬度出現波動時更要注意，當條件允許時，可進行深入地應力分析和金相定量分析。

參考文獻

[1] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第3版）

[M].機械工業出版社，2004.

[2] 樊東黎主編.熱處理技術數據手冊[M].機械工業

出版社，2000.

作者簡介：戰中學，男，中國兵器工業第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機械設計制造；劉澤林，男，中國兵器工業第五二研究所工程師；研究方向：機械設計制造。

7 出現的問題

在前期的一些試驗中，發現本批杭鋼生產的40Cr熱處理后有時硬度不符合要求，并且在試驗中發現890℃水淬有大小不等的裂紋，且數量較多，860℃水淬有時也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達不到要求的原因

化學成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因為Cr和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關，應從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現裂紋的原因

裂紋的產生嚴重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強烈攪動（淬火烈度高）所造成的。當符合上述條件時，鋼件便會產生內應力（熱應力和組織應力），使得零件受力出現裂紋。

8 結論與建議

為使杭鋼產40Cr達到規定的硬度要求，經多次試驗，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗表明，當金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時，說明鋼件已經淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時，則鋼件沒有淬透。當回火后有較多的鐵素體存在時，則回火后的硬度就會降低。因此當淬火溫度確定之后，可以調整回火溫度，以達到所期待的硬度。

裂紋的產生是淬火溫度高，淬火劑水的強烈攪動所造成的，此時組織應力遠大于熱應力，而內表面收到的拉應力比外表面大，致使內表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應經常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當硬度出現波動時更要注意，當條件允許時，可進行深入地應力分析和金相定量分析。

參考文獻

[1] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第3版）

[M].機械工業出版社，2004.

[2] 樊東黎主編.熱處理技術數據手冊[M].機械工業

出版社，2000.

作者簡介：戰中學，男，中國兵器工業第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機械設計制造；劉澤林，男，中國兵器工業第五二研究所工程師；研究方向：機械設計制造。

7 出現的問題

在前期的一些試驗中，發現本批杭鋼生產的40Cr熱處理后有時硬度不符合要求，并且在試驗中發現890℃水淬有大小不等的裂紋，且數量較多，860℃水淬有時也有少量小裂紋，這些裂紋主要分布在內孔處，裂紋多為縱向。

7.1 硬度達不到要求的原因

化學成分處于中下限水平，使鋼的淬透性有所降低，因為Cr和C都是提高淬透性的合金元素；加熱溫度低時（如800℃），不能充分奧氏體化，使淬火馬氏體量減少，硬度降低；加熱溫度過高時（890℃），雖然能充分形成馬氏體，可使硬度提高，但易淬裂；同一位置硬度不均，除測量誤差外，可能與鋼的成分偏析有關，應從冶煉工藝上考慮。

7.2 出現裂紋的原因

裂紋的產生嚴重地影響成品的合格率，使成本大大增加。裂紋的產生是由于淬火溫度高，并用水作淬火劑及水的強烈攪動（淬火烈度高）所造成的。當符合上述條件時，鋼件便會產生內應力（熱應力和組織應力），使得零件受力出現裂紋。

8 結論與建議

為使杭鋼產40Cr達到規定的硬度要求，經多次試驗，確定其熱處理工藝為：

淬火860℃→保溫2H→水冷→回火430℃→440℃保溫→H水冷

金相檢驗表明，當金相組織以針狀馬氏體和板條狀馬氏體為主時，說明鋼件已經淬透，若有較多的上貝氏體和殘余奧氏體時，則鋼件沒有淬透。當回火后有較多的鐵素體存在時，則回火后的硬度就會降低。因此當淬火溫度確定之后，可以調整回火溫度，以達到所期待的硬度。

裂紋的產生是淬火溫度高，淬火劑水的強烈攪動所造成的，此時組織應力遠大于熱應力，而內表面收到的拉應力比外表面大，致使內表面易形成縱向裂紋。因此，為避免裂紋的產生，必須選擇合適的淬火溫度和淬火劑。

應經常檢查爐溫和熱電偶情況，特別是當硬度出現波動時更要注意，當條件允許時，可進行深入地應力分析和金相定量分析。

參考文獻

[1] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第3版）

[M].機械工業出版社，2004.

[2] 樊東黎主編.熱處理技術數據手冊[M].機械工業

出版社，2000.

作者簡介：戰中學，男，中國兵器工業第五二研究所副研究員，碩士，研究方向：機械設計制造；劉澤林，男，中國兵器工業第五二研究所工程師；研究方向：機械設計制造。