40Cr鋼制曲軸正火熱處理后性能研究

呂文濤，錢英豪，趙福興，許明明

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 蘇州分院，江蘇 蘇州 215128)

40Cr鋼制曲軸正火熱處理后性能研究

呂文濤，錢英豪，趙福興，許明明

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 蘇州分院，江蘇 蘇州 215128)

采用正火方法對40Cr鋼制曲軸進行熱處理，主要研究了曲軸熱處理后的抗拉強度、沖擊功和顯微硬度等力學性能，并采用金相顯微鏡分析其顯微組織。結果表明，經正火熱處理后，工件由表及里的抗拉強度逐漸下降，沖擊功無明顯變化，延伸率略有增加，表層金相組織為鐵素體、珠光體和下貝氏體，中層和里層金相組織均為鐵素體和珠光體，晶粒度約為8級。

正火；40Cr；抗拉強度；沖擊功；顯微組織

40Cr鋼是我國目前應用較為廣泛的合金調質鋼，被廣泛應用于制造軸類、連桿、螺栓及重要齒輪等尺寸小同時要求不是很高的機器零部件[1]。該鋼種傳統的熱處理工藝是將工件加熱至所需的淬火溫度后保溫一段時間，然后進行低溫或高溫回火[2]。40Cr鋼用于制造壓縮機曲軸時,通常采用淬火加高溫回火的調質工藝, 雖然目前該制造工藝已比較成熟，但在淬火時，以油為淬火介質往往得到的力學性能較低，而以水作為淬火介質，則含碳量相對較高的40Cr更容易產生淬火裂紋[3-4]。相比之下，正火熱處理工藝設備簡單，工序容易控制，當常規力學性能要求不高時(如壓縮機曲軸)，有著替代調質等復雜熱處理工藝的潛力。本文對40Cr鋼制曲軸試樣經正火熱處理后的抗拉強度、沖擊功、顯微硬度和金相組織進行了試驗研究，以間接分析其正火后的狀態是否能滿足曲軸在高疲勞強度和惡劣環境服役時的性能要求。

1 試驗

1.1 試驗材料及設備

試驗采用生產線上經鍛制且未經調質處理的曲軸工件簡單加工成試樣(約φ350 mm×400 mm)，所用設備及材料包括工業用冷卻風扇、紅外測溫儀(1 000～25 ℃)、新三思液壓式自動拉伸試驗機(WEW-600)、蔡司顯微鏡(HAL-100)、沖擊試驗機(JB-300B)、智能溫控箱式電阻爐(NWTX-12F，誤差為±1 ℃)、顯微硬度計(AHVD-1000XY)、4%硝酸酒精溶液、金相砂紙以及銑床和磨床等。

1.2 試驗工藝

因曲軸工件直徑較大，故將工件置于爐膛正中(熱電傳感器附近)。正火溫度控制在865 ℃(AC3溫度以上)，保溫時間為25 min(不含加熱時間)；工件出爐后置于通風狀態下，采用大風量風冷的方式冷卻，冷卻速度>5.0 ℃/s； 待試樣完全冷卻至室溫并經相應機械加工后，進行性能測試。

1.3 性能測試方法

截取工件圓柱部分，分別取工件表層、中層及心部制成3組試樣，每組試樣分別加工出拉伸、顯微硬度、沖擊和金相試樣，并進行相關測試。其中，拉伸試樣均按照GB/T 228.1-2010的規定加工成圓形試樣(φ20 mm×120 mm)；顯微硬度試樣均加工成φ20 mm×10 mm的圓柱，兩邊經磨床磨光，表面粗糙度<1.6 μm；沖擊試樣按照GB/T 229-2007的規定，加工尺寸為10 mm×10 mm×55 mm；金相試樣尺寸均為20 mm×10 mm。所有試驗均在室溫下進行，即(20±3) ℃。

2 結果與分析

2.1 金相組織

試樣表層、中層和心部的顯微組織照片如圖1所示。從圖1可以看出，表層試樣的顯微組織為鐵素體、珠光體及下貝氏體，且下貝氏體所占比例不低，晶粒度為8級左右；中層及心部的顯微組織均為鐵素體和珠光體，晶粒度約為8級；心部顯微組織的晶粒度為7～8級。結果表明，在相同的冷卻條件下，試樣表層與中層和心部的實際冷卻速度是不同的，因此呈現出不同的顯微組織，其中，表層試樣冷卻最快。由于40Cr中含碳量較高，淬透性較強，所以生成了一定量的下貝氏體。由于表層的隔離作用，中層和心部的冷卻相對較慢，生成基本趨近于亞共析鋼平衡態的組織。另外，由于40Cr中基本不存在細化晶粒的元素，所以試樣中層和心部的顯微組織雖然相同，但試樣心部的晶粒相對中層較大，這在一定程度上也驗證了冷卻速度會對晶粒度產生影響。

圖1 試樣的顯微組織照片

2.2 力學性能

試樣的原始性能數據見表1， 3組試樣經正火處理后的拉伸性能和顯微硬度數據見表2， 3組試樣經正火處理后的沖擊性能數據見表3。正火處理前，試樣的原始狀態為退火態，從表1可以看出，其抗拉強度相對較低，延伸率相對較高，說明退火狀態的工件強度和硬度較低，塑性較高。從表2可以看出，3組試樣經正火處理后，試樣強度相對初始狀態均顯著提高，延伸率則有所下降，其中，表層試樣的強度最高，延伸率最低，中層和心部試樣的力學性能相差不大。結合3組試樣的顯微組織照片分析，表層試樣冷卻條件最好，冷卻最快，產生了一定量的下貝氏體，下貝氏體的存在可顯著提高試樣的強度和硬度，因為下貝氏體是材料中強韌度相對較好的相，是C元素在α鐵素體中的過飽和固溶體，內部存在著大量的晶格畸變和位錯，其必然會導致材料的強度和硬度增加，韌度和塑性下降，而中層試樣和心部試樣的強度、硬度及延伸率相差不多的現象[5]，這與試樣各自的顯微組織也是一致的。從表3可以看出，受下貝氏體強化相存在的影響，表層試樣的沖擊功最低，中層和心部試樣的顯微組織基本相同，因此沖擊功相差不多。影響同種化學成分材料沖擊功的主要因素通常為晶粒度和顯微組織，而本次試驗中，3組試樣的晶粒度基本相差無幾，即使心部試樣冷卻最慢，晶粒尺寸相對較大，其沖擊功也并未有所降低。表層試樣因與另外2組顯微組織存在差異，沖擊功明顯不同。可見，沖擊功值所表征的韌度對材料顯微組織的敏感度要高于材料的晶粒度。

表1 試樣原始性能數據

表2 正火后試樣性能數據

表3 正火后試樣沖擊性能數據

3 討論及建議

結合本次試驗的結果來看，經正火處理后，40Cr鋼制曲軸的抗拉強度、顯微硬度和沖擊功等力學性能較為理想，尤其是在強度整體較高的情況下，尚能保持良好的塑性和韌度，這對含碳量較高的40Cr鋼來講較為難得，如果單純從強度角度考慮，其是可以滿足曲軸要求的；但是，曲軸的實際服役壽命并非僅由本次試驗中的力學性能指標決定，而是和疲勞強度共同決定的。在同等條件下，顯微組織的均勻性及均一性對曲軸的疲勞強度顯得尤為重要，表層試樣中，雖然下貝氏體的存在強化了其力學性能，但是其比中層和心部多出了1個相，組織均勻性較差且該組成相比珠光體和鐵素體強度要高，塑性和韌度要差，所以其服役時的應力狀態較差，相對于中層和心部試樣，其更容易產生起裂或者缺陷點。對于壓縮機曲軸來講，均勻穩定的鐵素體和珠光體相結構更適用于承受中等強度的疲勞載荷，如果想簡化曲軸熱處理工序，不以調質工藝而采用正火處理的話，則應在保證強度的前提下，降低冷卻速度，以盡可能少地生成下貝氏體，同時給予工件更多的加工裕量。正火處理后，將含下貝氏體的表層部分通過機械加工去除，從而得到均一鐵素體和珠光體相結構的曲軸。

4 結語

對于40Cr鋼制曲軸，正火處理后冷卻速度為5.5 ℃/s時，其表層顯微組織為鐵素體、珠光體和下貝氏體，晶粒度為8級，組織結構相對不均勻，中層和心部顯微組織均為鐵素體和珠光體，晶粒度分別為8級和7～8級，組織結構均勻。對于40Cr鋼制曲軸，正火處理后冷卻速度為5.5 ℃/s時，其抗拉強度、顯微硬度和沖擊功等力學性能相對于原始狀態顯著提高，表層部分抗拉強度和顯微硬度最高，沖擊功相對較低，中層和心部處抗拉強度和顯微硬度比表層部分略低，沖擊功相對較高。

[1] 楊在志.熱處理工藝對40Cr鋼組織性能的影響[J].鋼結構,2008(1):16-17.

[2] 鄧楚平.45鋼、40Cr鋼調質熱處理新工藝研究[J].湖南有色金屬,2004(6):25-26.

[3] 李克生,王闊軍.40Cr鍛鋼曲軸毛胚調質裂紋分析及技術對策[J].國外金屬熱處理,2003,24(6):42-43.

[4] 劉云旭.金屬熱處理原理[M].北京:機械工業出版社，1981.

[5] 呂文濤,黃長虹.冷卻速度對36Mn2V制N80-1鋼級油管性能的影響[J].熱加工工藝,2011,40(18):164-166.

責任編輯李思文

InfluenceofPropertyofCrankAxleMadeby40CrwithNormalizing

LYU Wentao, QIAN Yinghao, ZHAO Fuxing, XU Mingming

(Suzhou Branch, Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu, Suzhou 215128, China)

In the paper, the normalizing of crank axle made by 40Cr was introduced, the properties including tensile strength, impacting energy and micro hardness were studied. The microstructure was analyzed by microscope. The results indicated that the tensile strength of specimens from the surface to the centre increased gradually, impacting energy changed little, elongation increased a little. the surface microstructure were ferrite, pearlite and lower banite, the centre microstructure were ferrite and pearlite, the microstructure between surface and centre were as same as the surface, grain size was all about rank 8.

normalizing, 40Cr, tensile strength, impacting energy, microstructure

TQ 174

：A

呂文濤(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道用金屬材料的性能及檢驗檢測等方面的研究。

2014-08-25