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(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038

1 序言

40CrNi2Si2MoVA鋼是我國于20世紀(jì)80年代中期按美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)仿制300M鋼而生產(chǎn)的一種新型低合金超高強(qiáng)度鋼[1]，因其優(yōu)良的橫向塑性、斷裂韌度和抗疲勞性能，廣泛應(yīng)用于航空航天高強(qiáng)度螺栓、襯套、起落架等關(guān)鍵承力構(gòu)件。40CrNi2Si2MoVA鋼具有高淬透性、高抗回火能力、超高強(qiáng)度，并兼有優(yōu)良的橫向塑性、斷裂韌度、抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能，是目前低合金超高強(qiáng)度鋼中強(qiáng)韌性匹配最高的鋼種。40CrNi2Si2MoVA鋼不是損傷容限設(shè)計(jì)材料，適合起落架這種主要承受高強(qiáng)度、低周疲勞的結(jié)構(gòu)，該鋼基本不會(huì)用于承受高周載荷的主承力部位。對(duì)于該鋼而言，一方面由于淬火后硬度較高，后續(xù)難以進(jìn)行機(jī)械加工；另一方面空氣爐加熱會(huì)在零件表面因氧化產(chǎn)生脫碳層，導(dǎo)致疲勞性能降低，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)。

真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳的優(yōu)點(diǎn)，但是在生產(chǎn)過程中，如果不能完全掌握工藝參數(shù)以及生產(chǎn)條件對(duì)工件質(zhì)量的影響規(guī)律，就不可能保證獲得穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量[2]。本文通過試驗(yàn)探索40CrNi2Si2MoVA鋼真空淬火工藝的主要內(nèi)容：確定加熱制度（溫度、時(shí)間、加熱方式）；制定真空度和回充氬氣壓力調(diào)節(jié)參數(shù)；選擇淬火冷卻介質(zhì)和方式等，為熱處理特殊過程確認(rèn)提供了技術(shù)依據(jù)，并指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用材

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

2.2 試驗(yàn)方法

（1）確定淬火壓強(qiáng)對(duì)性能影響的試驗(yàn)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(biāo)稱寬度為50mm的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)下，淬火冷卻時(shí)分別進(jìn)行不充氣和先充氣5×104Pa后入油的方式進(jìn)行淬火，再對(duì)試樣進(jìn)行性能測(cè)試，以確定淬火壓強(qiáng)對(duì)性能的影響。

（2）確定淬火加熱時(shí)真空分壓對(duì)合金元素貧化影響的試驗(yàn)方法 將40CrNi2Si2MoVA鋼棒料加工成10mm×5mm的試樣6件，每?jī)杉殖梢唤M，采取相同的的熱處理工藝參數(shù)，在淬火加熱時(shí)，對(duì)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(duì)制備的試樣表面一定面積上合金元素含量進(jìn)行測(cè)量，以確定真空熱室加熱分壓對(duì)合金元素貧化的影響。

表1 40CrNi2Si2MoVA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）真空熱處理工藝參數(shù)驗(yàn)證的試驗(yàn)方法 按標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行600℃預(yù)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(jí)回火（一次回火300℃×180min，空冷；二次回火300℃×180min，空冷），制備力學(xué)性能試樣進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證工藝參數(shù)的有效性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 淬火壓強(qiáng)對(duì)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果見表2。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，真空淬火時(shí)的冷室淬火油液面的壓強(qiáng)對(duì)于40CrNi2Si2MoVA鋼的最終力學(xué)性能基本無影響。這主要是因?yàn)樵撲摼哂辛己玫拇阃感裕鋵?shí)心圓柱體油淬淬透直徑高達(dá)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(qiáng)度與硬度的同時(shí)，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(diǎn)；Cr是鐵素體形成元素，溶入基體中形成置換固溶強(qiáng)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(shí)使鋼的晶粒得到細(xì)化，抑制鋼在回火過程中引起的脆性，提高回火穩(wěn)定性和強(qiáng)韌性[3]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果見表3。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 試驗(yàn)結(jié)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(fā)比較嚴(yán)重，相比原材料分別損失了27.5%和41.1%，當(dāng)回充100～200Pa氬氣時(shí)，Cr、Mn元素含量基本與原材一致，回充300～400Pa氬氣時(shí)，合金元素含量無繼續(xù)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(fā)，回充一定壓力的氬氣提高了爐內(nèi)壓強(qiáng)，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(shù)的驗(yàn)證結(jié)果與分析

（1）驗(yàn)證結(jié)果 真空熱處理工藝參數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果見表4。

（2）結(jié)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(qiáng)對(duì)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

表3 淬火加熱真空分壓對(duì)合金元素貧化影響的試驗(yàn)結(jié)果

表4 真空熱處理工藝參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

圖1 40CrNi2Si2MoVA鋼金相組織

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，40CrNi2Si2MoVA鋼在870℃保溫50min時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化并均勻化合金元素，經(jīng)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(tài)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(shí)產(chǎn)生下貝氏體轉(zhuǎn)變。金相圖片中團(tuán)狀顆粒一小部分為殘留奧氏體，大部分為平行分布的細(xì)小板條狀馬氏體組織。對(duì)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(jīng)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(nèi)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(fā)生回復(fù)，點(diǎn)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(dá)到了材料預(yù)定性能指標(biāo)。

4 結(jié)束語

1）對(duì)于淬透性較好的40CrNi2Si2MoVA鋼，真空熱處理時(shí)可以不考慮臨界淬火壓強(qiáng)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(jìn)行淬火。但為了防止淬火油淬火時(shí)飛濺，以減少維護(hù)保養(yǎng)工作量，建議采用先入油后充氣的方式進(jìn)行淬火。

2）40CrNi2Si2MoVA鋼在真空熱處理時(shí)可將爐內(nèi)先抽至較高的真空度，隨即充入高純氬氣，使?fàn)t內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行600℃預(yù)熱15min后加熱至870℃保溫50min，隨后真空油淬，采用兩級(jí)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(xué)性能。