熱處理對機床主軸用40Cr、65Mn鋼力學性能的影響*

伍倪燕

(宜賓職業技術學院現代制造系，四川 宜賓 644003)

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熱處理對機床主軸用40Cr、65Mn鋼力學性能的影響*

伍倪燕

(宜賓職業技術學院現代制造系，四川 宜賓 644003)

以機床主軸用40Cr、65Mn鋼為研究對象，對其不同熱處理工藝下的力學性能進行了測試研究。實驗結果表明：隨著回火溫度的升高，65Mn鋼和40Cr鋼力學性能有著相同的變化趨勢，抗拉強度和屈服強度下降，伸長率和斷面收縮率升高，硬度下降，耐磨性變化不顯著。在相同的熱處理條件下，65Mn鋼比40Cr鋼強度高、塑性差、耐磨性好、綜合力學性能要更好。兩種材料在用于機床主軸時經過調質處理便可很好地滿足生產需要。

熱處理；40Cr鋼；65Mn鋼；力學性能

數控機床是我國制造業尤其是國防工業中的一件核心裝備，其技術水平的高低對于現代化工業進程的高速前進起著重要的作用。它的發展追求高精度、高效率及高的可靠性，其質量與可靠性又直接影響到其加工精度及生產效率[1]。而機床主軸作為數控機床中最核心的一個部件，它帶動著工件或刀具旋轉，用來支撐傳動零件、傳遞運動及扭矩，其運動精度就需要力學性能相匹配的材料作為支撐。

對于機床主軸用材料的選擇，一般工作條件下會用45鋼。若對于精度要求較高的工作條件，就需要強度、硬度及其他力學性能更好的材料。40Cr鋼為現階段機械制造業中廣泛使用的合金鋼，其調質處理后具有良好的綜合力學性能，可用于載荷較大，表面要求較硬的機床主軸，其疲勞性、組織特性等性能很多研究者做出了研究探討[2-5]。65Mn鋼其強硬度較高，耐磨性好，可用于精度要求較高的磨床砂輪主軸，對于其組織性能的探討也有很多研究者做出了貢獻[6-8]。本文針對于40Cr鋼和65Mn鋼兩種機床主軸用鋼，在不同的熱處理工藝下，對其力學性能進行測試研究。

1　試驗方案

本實驗選用40Cr鋼和65Mn鋼兩個鋼種，在進行熱處理前首先通過成分分析得出合金中各元素含量，結果分別如表1和表2所示。

表1　40Cr鋼化學成分(wt%)

制備好試樣后分別對兩類鋼種進行熱處理，熱處理試樣編號、工藝參數及冷卻介質等如表3所示。熱處理設備采用高溫箱式電阻爐，在熱處理完成后分別對各組試樣進行力學性能測試、洛氏硬度測試及磨損試驗測試。力學性能測試為拉伸試驗，樣品制備按國家標準進行，通過對試驗數據的記錄和計算最終得到樣品的抗拉強度σb、屈服強度σs、延伸率δ以及斷面收縮率ψ。洛氏硬度采用型號為HR150的洛氏硬度計對宏觀硬度進行測試，每組試樣取5個點進行測試，最終結果為5個點的平均值。磨損試驗則采用型號為LMD-10的磨損試驗機進行測試，其中磨料為1.5kg的石英砂，磨損時間的選擇為10h，在進行磨損試驗的前后分別對試樣用萬分之一克天平稱重，算出磨損前后材料損失的重量，每組試樣進行3次試驗，最終結果取3次的平均值。

表2　65Mn鋼化學成分(wt%)

表3　熱處理工藝參數

2　實驗結果與分析

2.1熱處理工藝對材料拉伸性能的影響

表4　材料經熱處理后的拉伸性能

1號到3號試樣為40Cr鋼經過860 ℃油淬后在不同溫度下回火的試樣，1號為200 ℃低溫回火，2號為450 ℃中溫回火，3號為520 ℃高溫回火，4號到6號試樣為65Mn鋼經過830 ℃油淬后在不同溫度下回火的試樣，4號為200 ℃低溫回火，5號為450 ℃中溫回火，6號為550 ℃高溫回火。表4為材料經熱處理后的拉伸性能，為了更加清晰地看清其變化過程，將其中數據用圖形表示，如圖1所示。拉伸性能包含了抗拉強度σb、屈服強度σs、延伸率δ以及斷面收縮率ψ這4個指標。其中抗拉強度和屈服強度反應了材料的強度，延伸率和斷面收縮率反應了材料的塑性。

從表4和圖1中可以看出，40Cr鋼經過200 ℃低溫回火后抗拉強度和屈服強度都很大，分別達到了1 610MPa和1 422MPa，而其延伸率和斷面收縮率卻非常低，分別只有7.1和11.1。這時材料硬而脆不利于使用。將回火溫度提高到450 ℃后，材料的抗拉強度和屈服強度都有所下降，分別為1 380MPa和1 189MPa，但延伸率和斷面收縮率分別提高到了8.2和39.8。隨著回火溫度進一步提高到520 ℃，材料的抗拉強度和屈服強度分別降低到985MPa和793MPa，雖然降低但是該強度能滿足使用的需求，同時延伸率和斷面收縮率進一步提升，分別達到15.8和57.2，這時材料不僅強度滿足需求，塑性也非常好，適合生產中使用。同樣的，在不同回火溫度下，65Mn鋼的拉伸性能和40Cr鋼有著相同的變化趨勢。在低溫回火下其抗拉強度和屈服強度分別達到1 836MPa和1 785MPa，比40Cr鋼還要高，到高溫回火時抗拉強度和屈服強度降至1 050MPa和893MPa，同樣整體比40Cr鋼強度要大。其延伸率和斷面收縮率在低溫回火時很小，分別為2.1和5.6，塑性很差，經過高溫回火后分別達到11.8和34.5，比40Cr鋼略低但已經能很好地滿足使用。

2.2熱處理工藝對材料宏觀硬度的影響

表5　材料經熱處理后的宏觀硬度

表5和圖2為材料經熱處理后的宏觀硬度，也就是洛氏硬度。40Cr鋼經過200 ℃低溫回火后硬度很大，達到了53HRC，此時材料加工性能差。將回火溫度提高到450 ℃后，材料硬度降低為40HRC，進一步將回火溫度提高到520 ℃后，材料硬度降低為33HRC，說明40Cr鋼隨著回火溫度的提高硬度逐漸下降。65Mn鋼和40Cr鋼有著相同的變化趨勢，隨著回火溫度從200 ℃低溫回火，到450 ℃中溫回火，再到550 ℃高溫回火，其硬度值隨之從55HRC降至42HRC，再到36HRC。兩種材料經過熱處理后洛氏硬度的測試表明，40Cr鋼和65Mn鋼的硬度都隨著回火溫度的提高而下降，并且65Mn鋼的硬度要比40Cr鋼略高。

2.3熱處理工藝對材料耐磨性的影響

表6　材料磨損后損失的重量

為了測試材料的耐磨性，對各組材料進行了磨損實驗。表6和圖3為材料經熱處理后在磨損試驗下損失的重量，每組材料分別都經過了10h的磨損，損失重量越小代表材料的耐磨性越好。從圖表中可以看出40Cr鋼和65Mn鋼在經過不同溫度回火后耐磨性幾乎都沒有變化。40Cr鋼損失的重量為23.5～23.8mg，65Mn鋼損失的重量為11.7～11.9mg。數據說明65Mn鋼的耐磨性要比40Cr鋼好。

2.4討論

本文對于40Cr鋼和65Mn鋼兩種機床主軸用鋼，在不同的熱處理工藝下，對其力學性能進行測試研究，其中主要改變的熱處理工藝參數為回火溫度?；鼗鸬哪康氖菫榱私档弯摷械臍堄鄳蛘邚姸扔捕?，以提高其塑性或韌性從而達到使用性能指標[9]。本文分別選取了低溫回火、中溫回火和高溫回火三個溫度來對兩種鋼材的力學性能進行評價。在低溫回火時，淬火馬氏體組織會轉變成回火馬氏體，還會保持淬火工件高的強度和硬度，但材料塑性很低，脆性很大。在中溫回火后，組織會轉變成回火屈氏體，它是鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物或滲碳體的復相組織，這時材料會獲得較高的彈性極限和一定的韌性。在高溫回火后會得到回火索氏體組織，這時會得到強度、塑性及韌性都較好的綜合力學性能[10]。對于耐磨性，由于它和材料其他所有力學性能都有關系[11-12]，而隨著回火溫度的升高，材料強度下降的同時塑性隨之上升，所以導致材料的耐磨性幾乎沒有變化。對于機床主軸用40Cr鋼和65Mn鋼，需要其在長期工作使用中因內應力引起的變形要小，需要的是其良好的綜合力學性能，所以采用淬火加高溫回火的工藝，即調質處理。

3　結語

(1)在相同熱處理工藝下，65Mn鋼比40Cr鋼強度和硬度更高、耐磨性更好，但塑性較差。

(2)隨著回火溫度的升高，65Mn鋼和40Cr鋼力學性能變化趨勢相同，具體表現為：抗拉強度和屈服強度下降，伸長率和斷面收縮率升高，硬度下降，耐磨性變化不大。

(3)兩種材料經過調質處理后都擁有良好的綜合力學性能，可以滿足機床主軸的使用需求。

[1]楊兆軍,陳傳海,陳菲，等.數控機床可靠性技術的研究進展[J].機械工程學報,2013,49(20):130-139.

[2]王弘,高慶.超聲疲勞試驗方法在40Cr鋼疲勞性能研究中的應用[J].機械工程材料,2003,27(12):29-31.

[3]王弘,高慶.缺口應力集中對40Cr鋼高周疲勞性能的影響[J].機械工程材料,2004,28(8):12-14.

[4]宋洪偉,劉志文,張俊寶，等.表面納米化40Cr鋼的組織特征[J].機械工程材料,2004,28(1):35-37.

[5]秦松祥,肖冰,李曙生，等.40Cr鋼磨削淬火層組織及其形成機理[J].機械工程材料,2007,31(12):24-26,29.

[6]李紅英,耿進鋒,龔美濤，等.65Mn鋼奧氏體連續冷卻轉變曲線(CCT圖)[J].材料科學與工藝,2005,13(3):302-304.

[7]杜忠澤,黃俊霞,符寒光，等.65Mn鋼大塑性變形后的組織與力學性能[J].吉林大學學報：工學版,2006,36(2):143-147.

[8]王兆希,屈寶平,薛飛，等.65Mn金屬材料氫脆性能實驗研究[J].核動力工程,2011,32(4):14-18.

[9]張占平,齊育紅,DELAGNESD，等.鋼的回火時間-溫度-硬度動力學關系[J].材料熱處理學報,2004,25(1):41-45.

[10]于燕,楊海峰,劉云旭，等.回火處理對TRIP鋼點焊接頭組織和性能影響[J].材料熱處理學報,2014,35(51):49-52.

[11]杜忠澤,符寒光,豐振軍，等.回火處理對鑄造高速鋼軋輥耐磨性的影響[J].材料熱處理學報,2011,32(2):93-99.

[12]趙斌,員霄,蹤雪梅，等.熱處理工藝對含Y過共晶Fe-Cr-C堆焊合金組織與耐磨性的影響[J].材料熱處理學報,2015,36(7):102-107.

(編輯汪藝)

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Effectsofheattreatmentonthemechanicalpropertiesof40Crsteeland65Mnsteelusedinmachinetoolspindle

WUNiyan

(DepartmentofModernManufacturing,YibinVocationalandTechnicalCollege,Yibin644003,CHN)

Inviewof40Crsteeland65Mnsteelthatusedinmachinetoolspindle,theinfluenceofheattreatmentonthemechanicalpropertiesofthesteelwasinvestigated.Theresultsindicatedthatwiththeincreasingtemperedtemperature,thevariationofmechanicalpropertiesfor40Crsteeland65Mnsteelwasalmostthesame.Tensilestrengthandyieldstrengthdecreased,elongationandsectionshrinkagerateraised,hardnessdecreasedandtheabrasionresistancechangewasnotobvious.Underthesameheattreatmentcondition, 65Mnsteelhadbettercomprehensivemechanicalpropertiesthan40Crsteel.Whenusedformachinetoolspindle,thesetwokindsofmaterialsthroughmodulationprocessingcanbeverygoodtomeetproductionneeds.

heattreatment; 40Crsteel; 65Mnsteel;mechanicalproperty

TH122

B

伍倪燕，女，1979年生，研究生，主要從事CAD/CAM軟件應用、數控機床安裝與調試、數控編程與加工等課程的教學及研究，己發表論文9篇，參編教材5門，主研科研及教研教改10項，其中省級科研1項，專利1項。

2015-11-10)

160219

*四川省教育廳自然科學基金資助項目(15ZB0495)