40CrNi2Si2MoVA鋼真空熱處理工藝研究

王大宏，王錚，張金卓，楊峻嶺，劉吉飛，孫先成

大連長豐實業總公司 遼寧大連 116038

1 序言

40CrNi2Si2MoVA鋼是我國于20世紀80年代中期按美國宇航材料標準仿制300M鋼而生產的一種新型低合金超高強度鋼[1]，因其優良的橫向塑性、斷裂韌度和抗疲勞性能，廣泛應用于航空航天高強度螺栓、襯套、起落架等關鍵承力構件。40CrNi2Si2MoVA鋼具有高淬透性、高抗回火能力、超高強度，并兼有優良的橫向塑性、斷裂韌度、抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能，是目前低合金超高強度鋼中強韌性匹配最高的鋼種。40CrNi2Si2MoVA鋼不是損傷容限設計材料，適合起落架這種主要承受高強度、低周疲勞的結構，該鋼基本不會用于承受高周載荷的主承力部位。對于該鋼而言，一方面由于淬火后硬度較高，后續難以進行機械加工；另一方面空氣爐加熱會在零件表面因氧化產生脫碳層，導致疲勞性能降低，對產品質量危害較大，因此40CrNi2Si2MoVA鋼制零件多采用成品或半成品的真空熱處理生產。

真空熱處理技術具有無氧化、無脫碳的優點，但是在生產過程中，如果不能完全掌握工藝參數以及生產條件對工件質量的影響規律，就不可能保證獲得穩定的產品質量[2]。本文通過試驗探索40CrNi2Si2MoVA鋼真空淬火工藝的主要內容：確定加熱制度（溫度、時間、加熱方式）；制定真空度和回充氬氣壓力調節參數；選擇淬火冷卻介質和方式等，為熱處理特殊過程確認提供了技術依據，并指導生產實踐。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試驗用材

40CrNi2Si2MoVA鋼的原材料為撫順特殊鋼股份有限公司生產的φ20mm棒材，其化學成分見表1。

2.2 試驗方法

（1）確定淬火壓強對性能影響的試驗方法 將40CrNi2Si2MoVA鋼棒料分別按GB/T 228.1—2010和GB/T 229—2007要求加工制成標稱寬度為50mm的標準拉力試樣和10mm×10mm×55mm開2mm深U型缺口的沖擊試樣各6件。每三件分成一組，在相同的淬火、回火工藝參數下，淬火冷卻時分別進行不充氣和先充氣5×104Pa后入油的方式進行淬火，再對試樣進行性能測試，以確定淬火壓強對性能的影響。

（2）確定淬火加熱時真空分壓對合金元素貧化影響的試驗方法 將40CrNi2Si2MoVA鋼棒料加工成10mm×5mm的試樣6件，每兩件分成一組，采取相同的的熱處理工藝參數，在淬火加熱時，對2×10-2Pa真空度的熱室分別采取不回充氣氬分壓、回充100～200Pa氬氣和300～400Pa氬氣分壓制備試樣，利用TS5136XM型掃描電子顯微鏡（SEM）所帶的INCA250能譜儀對制備的試樣表面一定面積上合金元素含量進行測量，以確定真空熱室加熱分壓對合金元素貧化的影響。

表1 40CrNi2Si2MoVA鋼化學成分（質量分數） （%）

（3）真空熱處理工藝參數驗證的試驗方法 按標準制備拉力試樣和缺口沖擊試樣各3件，在熱室2×10-2Pa真空度下，回充100～200MPa氬氣分壓，進行600℃預熱15min后加熱至870℃保溫50min，隨后真空油淬（先充氣5×104Pa后入油），采用兩級回火（一次回火300℃×180min，空冷；二次回火300℃×180min，空冷），制備力學性能試樣進行測試，驗證工藝參數的有效性。

3 試驗結果與分析

3.1 淬火壓強對性能影響的試驗結果與分析

（1）試驗結果 試驗結果見表2。

（2）試驗結果分析 根據力學性能試驗結果可以看出，真空淬火時的冷室淬火油液面的壓強對于40CrNi2Si2MoVA鋼的最終力學性能基本無影響。這主要是因為該鋼具有良好的淬透性，其實心圓柱體油淬淬透直徑高達100mm，這一性能主要源于其組成合金元素：Mn元素可以顯著提高鋼的淬透性，在提高鋼的強度與硬度的同時，使得鋼擁有較高的韌性；Ni元素可以提高鋼淬透性，降低鋼的Ms點；Cr是鐵素體形成元素，溶入基體中形成置換固溶強化，用以獲得足夠的淬透性，還能提高鋼的耐蝕性、抗氧化性和耐磨性；Mo元素可以增加鋼淬透性，同時使鋼的晶粒得到細化，抑制鋼在回火過程中引起的脆性，提高回火穩定性和強韌性[3]。

3.2 試驗結果與分析

（1）試驗結果 試驗結果見表3。

（2）試驗結果分析 試驗結果表明，在熱室真空度為2×10-2Pa的情況下加熱，熱處理工件表面層中Cr、Mn元素的蒸發比較嚴重，相比原材料分別損失了27.5%和41.1%，當回充100～200Pa氬氣時，Cr、Mn元素含量基本與原材一致，回充300～400Pa氬氣時，合金元素含量無繼續改善。這主要源于元素Cr、Mn的蒸氣壓較高，在高真空加熱的情況下，容易蒸發，回充一定壓力的氬氣提高了爐內壓強，有效抑制了金屬表層合金元素的貧化[4]。

3.3 真空熱處理工藝參數的驗證結果與分析

（1）驗證結果 真空熱處理工藝參數的驗證結果見表4。

（2）結果分析 利用樣件余料制備金相試樣，金相組織如圖1所示。

表2 淬火壓強對性能影響的試驗結果

表3 淬火加熱真空分壓對合金元素貧化影響的試驗結果

表4 真空熱處理工藝參數驗證結果

圖1 40CrNi2Si2MoVA鋼金相組織

觀察圖1可以發現，40CrNi2Si2MoVA鋼在870℃保溫50min時，可以實現完全奧氏體化并均勻化合金元素，經過先入油后充氬氣的方式淬火得到了完全的馬氏體組織，具體形態主要為板條狀馬氏體，還有少量的下貝氏體組織。由于在油中冷卻，冷卻速度較大，過冷奧氏體至中溫時產生下貝氏體轉變。金相圖片中團狀顆粒一小部分為殘留奧氏體，大部分為平行分布的細小板條狀馬氏體組織。對比一次回火和二次回火后的金相組織圖片，可以看出一次回火后顯微組織為回火馬氏體、少量鐵素體及極少量的碳化物。經二次回火后，40CrNi2Si2MoVA鋼由于下貝氏體組織中的碳過飽和度大，明顯地在鐵素體內彌散出均勻的沉淀析出碳化物，隨著二次回火，鐵素體相由板條狀開始發生回復，點陣畸變逐漸消失，片層間距增大，半條馬氏體寬度增加，馬氏體組織完全分解[5]。由此微觀組織表征在性能上，達到了材料預定性能指標。

4 結束語

1）對于淬透性較好的40CrNi2Si2MoVA鋼，真空熱處理時可以不考慮臨界淬火壓強的影響，可以采取先入油后充氣或不充氣、或先充氣后入油的方式進行淬火。但為了防止淬火油淬火時飛濺，以減少維護保養工作量，建議采用先入油后充氣的方式進行淬火。

2）40CrNi2Si2MoVA鋼在真空熱處理時可將爐內先抽至較高的真空度，隨即充入高純氬氣，使爐內壓力維持在100～200Pa下加熱，能夠有效避免合金元素貧化，取得較好的工藝效果。

3）40CrNi2Si2MoVA鋼在2×10-2Pa真空度下，回充100～200Pa氬氣分壓按標準要求進行600℃預熱15min后加熱至870℃保溫50min，隨后真空油淬，采用兩級回火（一次回火300℃×180min，空冷；二次回火300℃×180min，空冷），可以獲得滿意的力學性能。