熱處理工藝對40CrNiMoA合金組織及力學性能的影響

摘 要：為了提高礦用鏈輪耐磨性，延長其使用壽命，選取電渣離心鑄造40CrNiMoA合金鏈輪件作為母材，研究熱處理工藝對40CrNiMoA合金組織和力學性能的影響。采用正交試驗法，研究不同熱處理工藝對合金顯微硬度、摩擦磨損及拉伸強度等力學性能的影響，并將測試結果進行極差分析和綜合加權評分計算，得出最優熱處理工藝參數，最后進行試驗驗證。結果表明，正交試驗法得到的最優熱處理工藝為880 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h，樣品熱處理后的組織主要為回火索氏體，維氏硬度為364 HV，抗拉強度為1 166 MPa，磨損率為0.427×10^-4 mm³/（N·m）；驗證試驗結果與正交試驗分析結果相近，且熱處理后的樣品性能可達到使用要求。研究結果可為礦用鏈輪件熱處理工藝提供理論依據，對有效解決鏈輪耐磨性和使用壽命問題具有參考價值。

關鍵詞：黑色金屬及其合金；40CrNiMoA合金；熱處理工藝；顯微組織；力學性能；正交試驗

中圖分類號：TG406

文獻標識碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2023yx06008

收稿日期：2023-10-12；修回日期：2023-11-05；責任編輯：馮 民

基金項目：河北省重點研發項目（19211007D）

第一作者簡介：李子健（1996—），男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事金屬材料成型及控制方面的研究。

通信作者：賈麗敏，副教授。E-mail：jialimin1025@163.com

梁小凱，高級工程師。E-mail：liangxk@sina.com

李子健，賈麗敏，韓鵬彪，等.熱處理工藝對40CrNiMoA合金組織及力學性能的影響[J].河北科技大學學報，2023，44（6）：67-73.

LI Zijian，JIA Limin，HAN Pengbiao，et al.Effect of heat treatment process on the microstructure and mechanical properties of 40CrNiMoA steel[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2023，44（6）：67-73.

Effect of heat treatment process on the microstructure and

mechanical properties of 40CrNiMoA steel

LI Zijian¹，JIA Limin^1，2，HAN Pengbiao^1，2，LIANG Xiaokai³，TIAN Yan¹，LI Xinyue¹，WANG Lei¹

（1.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，

Hebei 050018， China;

2.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

3.Institute of Structural Steels， Central Iron and Steel Research Institute， Beijing 100081， China）

Abstract：In order to improve the wear resistance and service life of mining sprockets， 40CrNiMoA sprockets cast by centrifugal electroslag casting were selected as the base material to study the effects of heat treatment processes on microstructure and mechanical properties of the alloy. The effects of different heat treatment processes on the mechanical properties of the steel， such as microhardness， friction and wear， and tensile strength were investigated with the orthogonal experiment method.The test results were analyzed by range analysis and comprehensive weighted scoring calculation to obtain the optimal heat treatment process parameters. Finally， experimental verification was conducted. The results show that the optimal heat treatment process obtained by the orthogonal test method is quenching at 880 ℃ for 0.5 hours and high-temperature tempering at 600 ℃ for 2 hours. The microstructure of the sample after heat treatment is mainly tempered sorbite， with a Vickers hardness of 364 HV， a tensile strength of 1 166 MPa， and a wear rate of 0.427×10^-4 mm³/（N·m）. The validation test results are similar to the orthogonal experimental analysis， and the sample performance after heat treatment can meet the usage requirements. Therefore， the research results can provide a theoretical basis for the heat treatment process of mining sprocket parts， and are of great significance for effectively solving the wear resistance and service life of sprockets.

Keywords：ferrous metals and their alloys; 40CrNiMoA steel; heat treatment process; microstructure; mechanical properties; orthogonal experiment

近年來，隨著煤炭開采技術的進步及大型現代化礦井建設步伐的加快，刮板輸送設備逐步向大功率方向發展，配套鏈輪的規格也越來越大，同時，對強度、韌性、耐磨性等性能的要求越來越高^[1]。然而，目前煤礦開采所用的大型礦用鏈輪多為進口，不僅價格昂貴，而且維修和更換設備也很難得到保障，加上國內大型鏈輪生產技術的不成熟，導致煤炭開采產業成本大大提高。面對這一困境，研究開發高綜合性能耐磨材料，對提高鏈輪產品質量和壽命具有重要意義^[2]。

由于40CrNiMoA合金鋼具有高強度、優異的耐磨性和延展性等綜合力學性能，且淬透性和機械加工性能良好，在汽車零件、重型機械零件和工具等方面應用廣泛，近年來，該合金鋼作為優良的生產材料也逐步被用于大型礦用鏈輪的制造^[3-4]。

與傳統的鍛造加工工藝相比，電渣離心鑄造工藝制備的40CrNiMoA鏈輪件具有結構致密、材料利用率高、生產效率高等優點，后期熱處理工藝可以進一步提高鏈輪件的綜合力學性能，以達到使用要求^[5-6]。因此，為有效提高40CrNiMoA鏈輪鑄件的耐磨性和使用壽命，本文研究熱處理工藝對電渣離心鑄造40CrNiMoA合金組織及力學性能的影響，采用正交試驗法得出最優的熱處理工藝，并對最優熱處理工藝下的合金試樣進行顯微組織分析和力學性能驗證^[7-10]。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為某鑄造廠以40CrNiMoA合金為原料，通過電渣離心鑄造工藝生產的鑄態鏈輪件。使用直讀光譜儀測得試樣化學成分如表1所示。鏈輪件結構示意圖如圖1 a） 所示，鑄造工藝參數為澆注溫度1 600 ℃，鑄型轉速800 r/min。組織分析及力學性能測試取樣示意圖如圖1 b） 所示。

1.2 熱處理工藝方案設計

采用正交試驗法，研究不同熱處理工藝參數對40CrNiMoA合金力學性能的影響，以得到最優熱處理工藝方案。分別對試樣采取正火和調質處理，正火的目的是細化奧氏體晶粒，使組織均勻化，消除內應力，為調質處理做準備^[11]。正火后進行高溫回火，以減少正火產生的內應力，熱處理過程及工藝參數見圖2^[12]。調質處理階段采用正交試驗，選取淬火溫度（A）、淬火時間（B）、回火溫度（C）、回火時間（D）4個因素設計正交試驗，試驗因素水平取值見表2，調質過程及工藝參數見圖3^[13-14]。

1.3 力學性能測試

對熱處理后的40CrNiMoA合金進行顯微硬度、拉伸試驗和摩擦磨損試驗測試。通過維氏硬度計對試樣進行顯微硬度測試，載荷為500 gf（約為4.9 N），由試樣邊緣向中心等距選取10個測試點，將10個測試點的測試結果，去除最大值和最小值，再取剩下8個點的平均值；拉伸試驗在WE-300萬能試驗機上進行，其中拉伸力為19.6 kN，拉伸速度為0.5 mm/min，拉伸試樣結構尺寸如圖4所示；利用摩擦磨損試驗機對熱處理后的試樣進行摩擦磨損試驗，摩擦副為GCr15，轉速為200 r/min，試驗力為80 N，測試30 min，測量試驗前后試樣的重量，計算磨損率^[15-16]。

2 正交試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果

根據設計的正交試驗因素水平取值表，通過Mintab軟件設計正交試驗表，對每組樣品進行熱處理試驗和力學性能測試，試驗結果如表3所示。

2.2 極差分析

對正交試驗結果進行極差分析可以得出理論上最優熱處理工藝參數以及每個指標下各因素的影響程度。極差分析的具體計算步驟如下。

式中：j為因素，本試驗中j=A，B，C，D；i為各因素水平，i=1，2，3，4；K_ij為因素j所對應的水平i的試驗數據之和，k_ij為因素j所對應水平i的平均影響；R_j為因素j在此次正交試驗中的極差^[17]。表4-表6分別為顯微硬度、抗拉強度、磨損率極差分析結果。

根據表4-表6極差分析的結果，可以得出針對不同試驗指標的最佳組合如表7所示。針對試樣顯微硬度指標，最佳組合為A3B3C3D3（淬火溫度為880 ℃，淬火時間為2 h，回火溫度為600 ℃，回火時間為3 h）；對于抗拉強度指標，最佳組合為A1B1C3D2（淬火溫度為820 ℃，淬火時間為0.5 h，回火溫度為600 ℃，回火時間為2 h）；對于磨損率指標，最佳組合為A2B2C2D1（淬火溫度為850 ℃，淬火時間為1 h，回火溫度為560 ℃，回火時間為0.5 h）。

2.3 綜合加權評分計算分析

采用綜合加權評分法評估40CrNiMoA熱處理工藝。為進一步提高40CrNiMoA合金綜合力學性能，根據力學性能綜合影響作用結合實際生產要求，將各指標評分權重占比定為顯微硬度（Y）占0.3、抗拉強度（Y）占0.3、磨損率（Y）占0.4，由于磨損率越小，材料的耐磨性越好，為了方便計算，其指標數值?。?-Y），由此可得：

綜合評分=（Y/Y）×100×0.3+（Y/Y）×100×0.3+{（1-Y）/（1-Y）×100×0.4}。

最終的正交試驗分析結果如表8所示，在保證顯微硬度、拉伸性能、耐磨性綜合性能良好的前提下，最佳熱處理方案為880 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h。對材料性能影響的因素主次為回火溫度gt;淬火溫度gt;淬火時間gt;回火時間，由此可見，在提升40CrNiMoA鏈輪力學性能方面，熱處理工藝的溫度參數起更大的作用^[18-19]。

2.4 熱處理工藝方案試驗驗證及組織分析

按照已確定的最佳熱處理工藝條件，即880 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h，重復3次試驗。結果表明，驗證結果與正交實驗結果相近，見表9。

對熱處理后的合金試樣進行SEM組織觀察和能譜分析。利用掃描電鏡觀察熱處理后試樣放大2 000倍和5 000倍的組織形貌，分別如圖5 a）、圖5 b）所示，可以看到亮白色球狀碳化物顆粒均勻地分布在等軸鐵素體上形成復相組織，即回火索氏體組織，且組織分布比較均勻。對圖5 b）中白色球狀物（“+”的位置）進行EDS點測，試樣能譜分析結果如圖6所示。由圖6可以看出，組織中除含有微量Ni，Cr等合金元素外，還含有大量的碳元素。由此可知，在回火索氏體中彌散分布著大量的金屬碳化物^[20-21]。

熱處理工藝對合金組織及性能影響機理分析如下。預熱處理：正火使碳原子充分擴散，融入貧碳的帶狀鐵素體區域，正火后的空冷可提高過冷奧氏體形成共析鐵素體的形核率，達到細化晶粒的目的;同時，預熱處理也提高了基體的位錯密度，并使合金元素盡量多地溶入基體。正火后通過高溫回火消除正火產生的內應力。調質處理：淬火后碳原子及合金元素進一步充分地溶入基體，使晶格產生畸變，阻礙位錯運動，產生固溶強化，生成淬火馬氏體。最后高溫回火可消除淬火后產生的殘余奧氏體，使淬火馬氏體完全消失，轉化為等軸狀鐵素體，并且α固溶體中的過飽和碳原子完全析出，與同時析出的金屬元素形成球狀碳化物顆粒，并彌散分布在基體中，起到二次硬化作用。但由于高溫回火作用，馬氏體組織發生再結晶，使基體中的位錯和孿晶密度降低，產生等軸鐵素體，同時碳化物的球化也造成了試樣強度的降低，但加工硬化能力和韌性得到提高，最終可使實驗鋼得到良好的機械性能和綜合力學性能。因此，40CrNiMoA合金鋼在經過880 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h后，其耐磨性、顯微硬度和強度都得到相應的提高并達到相對理想狀態^[22-26]。

3 結 論

通過正交試驗研究了熱處理工藝參數對40CrNiMoA合金鋼組織和力學性能的影響，并得出最優熱處理工藝方案，主要結論如下。

1）單因素指標下，不同的熱處理工藝參數對磨損率、顯微硬度、抗拉強度的影響不同。磨損率對應的最優熱處理方案為850 ℃淬火1 h，560 ℃高溫回火1 h；顯微硬度對應的最優熱處理方案為880 ℃淬火2 h，600 ℃高溫回火3 h；抗拉強度對應的最優熱處理方案為：820 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h。

2）正交試驗分析表明，在滿足性能需求的前提下，最優熱處理工藝參數為880 ℃淬火0.5 h，600 ℃高溫回火2 h，試驗驗證結果與正交試驗結果相近。結果表明：最優熱處理工藝下，合金組織為等軸狀鐵素體和細粒狀碳化物構成的回火索氏體；維氏硬度為364 HV，抗拉強度為1 166 MPa，磨損率為0.427×10^-4 mm³/（N·m）。

正交試驗可以有效減少樣品的試驗數量，提高研究效率，但缺乏指向性，不能有效得出熱處理工藝參數對合金力學性能的影響規律。因此，后續可以通過單一變量實驗或者響應面實驗進行深入研究。同時，還需要通過更多的表征手段研究40CrNiMoA合金鋼熱處理對組織、性能影響機理以及熱處理對基體中位錯產生和位錯運動的影響。

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