40CrNiMoA鋼組織與耐磨性能研究

摘要：為了解決40CrNiMoA鋼硬度低和耐磨性能差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種熱處理工藝，采用水、鹽溶液、油3種不同淬火介質(zhì)，對(duì)40CrNiMoA鋼進(jìn)行高頻淬火+低溫回火熱處理。采用HV-2000型維氏硬度計(jì)測(cè)試熱處理后試樣表面硬度，采用SFT-2M球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其耐磨性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)淬火介質(zhì)為鹽溶液時(shí)，回火馬氏體更為細(xì)小，經(jīng)熱處理后的試樣表面硬度最高，達(dá)到431.2 HV0.2，同時(shí)其磨損量最小。經(jīng)鹽溶液淬火后，可得到細(xì)小的回火馬氏體，使得40CrNiMoA鋼的硬度提高，試樣磨損量減少，耐磨性能增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：高頻淬火；淬火介質(zhì)；表面硬度；摩擦磨損性能

中圖分類號(hào)：TG161；[U25] 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：羅杰，李祥，楊旭，等. 40CrNiMoA鋼組織與耐磨性能研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2025，42（1）：105-112.

Research on Microstructure and Wear

Resistance of 40CrNiMoA Steel

Luo Jie1， Li Xiang1， Yang Xu1， Han Jialong2， Wu Weili2

（1. Guizhou Aerospace Precision Manufacturing Co.， Ltd.， Zunyi 563000， China;

2. School of Materials Science and Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China）

Abstract： In order to solve the problem of low hardness and poor wear resistance of 40CrNiMoA steel， a heat treatment process was designed， and three different quenching mediums were used， including water， salt solution and oil， to carry out high-frequency quenching and low-temperature tempering heat treatment of 40CrNiMoA steel. The HV-2000 Vickers hardness tester was used to test the surface hardness of the sample after heat treatment， and the SFT-2M ball-disc friction and wear testing machine was used to test its wear resistance. The results show that when the quenching medium was salt solution， the tempered martensite was smaller， and the surface hardness of the specimen after heat treatment was the highest， reaching 431.2 HV0.2， and the wear was the smallest. After quenching in salt solution， fine tempered martensite can be obtained， resulting in increased hardness of 40CrNiMoA steel， less wear of the specimen and enhanced wear resistance.

Key words： high frequency quenching; quenching medium; surface hardness; friction and wear properties

Citation format： LUO J， LI X， YANG X， et al. Research on microstructure and wear resistance of 40CrNiMoA steel[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2025， 42（1）： 105-112.

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在高端結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)展緩慢，高度依賴從日本和德國(guó)進(jìn)口。這種對(duì)進(jìn)口原料的嚴(yán)重依賴極大地制約了我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)速度。鑒于此，國(guó)家亟待加速推進(jìn)高端鋼鐵產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。因此，深入研究鋼鐵材料的熱處理技術(shù)及強(qiáng)韌化機(jī)制，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)高端鋼鐵產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

40CrNiMoA鋼，作為一種優(yōu)質(zhì)高淬透性調(diào)質(zhì)鋼，因其具備的高強(qiáng)度、韌性、淬透性和出色的抗過(guò)熱穩(wěn)定性而引人注目。這些優(yōu)異的材料特性使其生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，并且綜合力學(xué)性能卓越?；谶@些特點(diǎn)，40CrNiMoA鋼在航空、新能源汽車等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]，特別是在重型機(jī)械制造領(lǐng)域，40CrNiMoA鋼常用于制造那些需要高強(qiáng)度、大截面尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的承載或傳動(dòng)零部件，如臥式鍛造機(jī)的傳動(dòng)偏心軸、齒輪、飛機(jī)起落架和緊固件等[3-4]。

在軌道交通這一關(guān)鍵領(lǐng)域中，40CrNiMoA鋼更是發(fā)揮著不可替代的作用。它被廣泛應(yīng)用于車站站臺(tái)、軌道梁以及其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，以支持列車的正常運(yùn)行并承受沉重的負(fù)載。研究表明，通過(guò)使用這類高質(zhì)量的材料，可以有效保障整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，減少事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，提升乘客的安全指數(shù)，同時(shí)也可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命[5]。合理的熱處理工藝是調(diào)控40CrNiMoA鋼組織與力學(xué)性能的重要手段[6]。采用淬火工藝使奧氏體化的組織盡可能地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨后配以不同溫度回火來(lái)獲得所需要的各種性能。吳寅杰等通過(guò)調(diào)控淬火組織的配比優(yōu)化了熱處理工藝，并發(fā)現(xiàn)40CrNiMoA鋼在750 ℃淬火時(shí)具有高強(qiáng)韌性；他們深入研究了淬火溫度對(duì)40CrNiMoA鋼組織與性能的影響，并通過(guò)微結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得了鐵素體-馬氏體雙相組織，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)塑性更佳的超高強(qiáng)鋼[7]。李世鍵等研究了回火溫度對(duì)40CrNiMoA鋼力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)該鋼的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨回火溫度的升高而逐漸降低，但其塑性基本不變[8]。其他學(xué)者也發(fā)現(xiàn)隨回火溫度的升高，40CrNiMoA鋼的強(qiáng)度和硬度均降低[9-10]。另外，一些學(xué)者也研究了其他熱處理工藝對(duì)40CrNiMoA鋼組織與性能的影響[1，11-13]。

40CrNiMoA鋼零部件在惡劣環(huán)境中使用通常易遭受磨損而導(dǎo)致失效，為提高其耐磨性能需進(jìn)行表面熱處理。除了對(duì)其進(jìn)行滲氮[14]以外，也可采用高頻淬火技術(shù)對(duì)其表面進(jìn)行熱處理以提高材料的耐磨損性能[15]。目前，對(duì)40CrNiMoA鋼進(jìn)行高頻淬火的研究還鮮有報(bào)道。為此，本文探討了通過(guò)高頻淬火結(jié)合回火的熱處理手段來(lái)調(diào)控40CrNiMoA鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)考慮了高頻淬火過(guò)程中冷卻介質(zhì)的作用。研究深入分析了不同熱處理工藝對(duì)40CrNiMoA鋼摩擦磨損性能的影響規(guī)律，為這種鋼材在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考。此外，研究還著重考察了采用不同淬火介質(zhì)進(jìn)行高頻淬火后，再配以低溫回火處理對(duì)40CrNiMoA鋼的硬度和耐磨性能所產(chǎn)生的具體影響，這一研究具有重要的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用材料為40CrNiMoA鋼，尺寸為10 mm× 10 mm×10 mm，其化學(xué)成分如表1所示。依據(jù)40CrNiMoA鋼的平衡相圖（圖1），可知其微觀組織兩相區(qū)溫度為680～754 ℃。40CrNiMoA鋼的熱處理工藝如圖2所示，首先對(duì)試樣進(jìn)行高頻淬火處理，加熱時(shí)間為8 s，冷卻時(shí)間為5 s；然后分別在水、油、鹽溶液（成分為7%的碳酸鈉、3%的硫酸鎂、2%的焦磷酸鈉水溶液）3種介質(zhì)中進(jìn)行快速冷卻；最后對(duì)試樣在350 ℃下進(jìn)行回火處理，回火保溫時(shí)間為2 h，以獲得回火馬氏體組織。

按照《金屬材料 磨損試驗(yàn)方法 試環(huán)-試塊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)》（GB/T 12444—2006）方法，采用SFT-2M球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)[16]，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為120 r/min，載荷為10 N，試驗(yàn)時(shí)間為20 min，對(duì)磨試樣為SiC硬質(zhì)球，所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。① 高頻淬火采用SPG-60B型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，首先樣品需在丙酮中進(jìn)行超聲洗滌5 min，然后用電子天平（準(zhǔn)確度為0.1 mg）稱取樣品磨損前后的重量，計(jì)算試樣的磨損失重；② 采用LWD200-4XC型光學(xué)顯微鏡觀察其金相顯微組織，金相腐蝕劑選用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液，由無(wú)水酒精和濃硝酸配制而成，制備方法為將4 mL的濃硝酸加入96 mL的酒精中；③ 采用ZEISS SUPRA?55型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)試樣磨損形貌；④ 采用美國(guó)ZYGO白光干涉儀觀測(cè)試樣磨損形貌；⑤ 采用HV-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)試熱處理后試樣表面顯微硬度，測(cè)試參數(shù)為加載載荷200 g，保壓時(shí)間5 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱處理組織分析

圖3為40CrNiMoA鋼在不同高頻淬火冷卻介質(zhì)的金相組織圖。如圖3（a）所示，當(dāng)淬火介質(zhì)為水時(shí)，組織為層片狀回火馬氏體。當(dāng)淬火介質(zhì)為油時(shí)，如圖3（b）所示，組織為片狀回火馬氏體。當(dāng)淬火介質(zhì)為鹽溶液時(shí)，如圖3（c）所示，組織為細(xì)小的回火馬氏體。由圖可知，在鹽溶液中淬火得到的馬氏體尺寸更小，分布更加均勻。原始試樣組織如圖3（d）所示，組織為鐵素體和珠光體。

2.2 硬度分析

圖4為40CrNiMoA鋼試樣在不同淬火介質(zhì)下回火后的表面硬度。從圖4中可以看出，經(jīng)3種介質(zhì)淬火后試樣硬度較原始試樣均有所提高。當(dāng)淬火介質(zhì)為水、鹽溶液和油時(shí)，試樣表面平均顯微硬度分別為367.6， 431.2 HV0.2和255.3 HV0.2，其中鹽溶液淬火介質(zhì)的硬度最高。顯微組織對(duì)力學(xué)性能的影響主要包括：① 碳化物的尺寸、形態(tài)和分布；② 馬氏體的形態(tài)。馬氏體形態(tài)對(duì)鋼強(qiáng)韌性起著決定性的作用。由圖3可知，與油淬和水淬相比，鹽溶液淬獲得的回火馬氏體組織更加細(xì)小，從而提高了試樣的硬度。

2.3 磨損性能分析

2.3.1 磨損量分析

圖5為不同淬火介質(zhì)下40CrNiMoA鋼的磨損量，由圖可知經(jīng)鹽溶液處理后試樣的磨損量最小。這是由于經(jīng)鹽溶液淬火后晶粒尺寸細(xì)化，根據(jù)Hall-Petch方程，晶粒尺寸減小，材料硬度提高，導(dǎo)致材料耐磨性提高[17]。

2.3.2 表面磨損形貌分析

利用Gwyddion軟件生成磨痕三維形貌圖，圖6為不同淬火介質(zhì)下40CrNiMoA鋼的磨痕光學(xué)形貌，圖7為其對(duì)應(yīng)的磨痕深度。從圖6和圖7可以看出，經(jīng)過(guò)高頻淬火后3種淬火介質(zhì)試樣的磨痕深度均有所降低，當(dāng)淬火介質(zhì)為鹽溶液時(shí)，樣品具有最小的磨痕深度，為0.57 μm；當(dāng)淬火介質(zhì)為油和水時(shí)，磨痕深度和寬度略有增加，磨痕深度分別為0.67 μm和0.77 μm。磨痕深度越小，表明材料表面耐磨性能越好。由圖6可知，經(jīng)鹽溶液淬火后，材料表面磨痕有明顯起伏毛刺，這是由于表面硬度較高，磨屑未脫落造成的。

圖8為不同淬火介質(zhì)下40CrNiMoA鋼的磨損表面形貌。從圖中可以看出，原始試樣表面存在大量劃痕，且磨損表面存在磨屑碎片，部分區(qū)域還存在剝落坑，其磨損機(jī)制主要以磨粒磨損和氧化磨損為主。其中磨粒磨損是指在摩擦過(guò)程中，外界硬顆粒或者對(duì)磨表面上的硬突起物或粗糙峰引起的表面材料脫落現(xiàn)象[18]。這種現(xiàn)象常常發(fā)生在介質(zhì)中磨粒與其他材料之間，可以減少材料的使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。氧化磨損是化學(xué)磨損的一種，屬于腐蝕磨損的范疇，本質(zhì)是在空氣中對(duì)金屬材料進(jìn)行氧化，并在其表面形成一層氧化膜[19]。如圖8（b）能譜分析所示，經(jīng)水溶液淬火后，劃痕表面含有較高的氧元素和鐵元素[20]，說(shuō)明表面存在著大量的氧化物；另外其表面形貌較原始磨損試樣更平滑，其磨損機(jī)制主要以氧化磨損和磨粒磨損為主。如圖8（c）所示，經(jīng)油淬火后，表面氧元素含量較原始磨損試樣更少，而且表面形貌較原始磨損試樣更加平滑，其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。

在磨損過(guò)程中，由于產(chǎn)生了大量的摩擦熱會(huì)導(dǎo)致材料表面溫度升高。在空氣環(huán)境下，材料表面會(huì)發(fā)生氧化，形成氧化膜。又因?yàn)檠趸づc基體的熱物理性能存在明顯的差異[21]，在摩擦力作用下，材料表面會(huì)產(chǎn)生裂紋，并隨著摩擦的進(jìn)行而發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)一步貫通、破裂形成磨屑[22]。不同的淬火介質(zhì)改變了40CrNiMoA鋼磨損性能。由表2～表5可知，經(jīng)鹽溶液淬火后，表面含有較高的氧元素，表明表面有大量氧化物形成，其磨損機(jī)制主要以氧化磨損為主[23-25]。這些氧化物黏附在材料表面阻止了磨粒磨損的發(fā)生和裂紋的擴(kuò)展[26-27]，進(jìn)而提高了40CrNiMoA鋼耐磨性能。

3 結(jié)論

本文對(duì)40CrNiMoA鋼進(jìn)行高頻淬火+低溫回火熱處理，并測(cè)試熱處理后該材料的性能，得到以下結(jié)論。

1） 40CrNiMoA鋼在水、鹽溶液、油3種介質(zhì)高頻淬火回火后，組織主要為回火馬氏體，且當(dāng)淬火介質(zhì)為鹽溶液時(shí)，回火馬氏體更細(xì)小。

2） 經(jīng)水、鹽溶液、油3種介質(zhì)淬火回火后，試樣表面平均顯微硬度分別為367.6，431.2 HV0.2和255.3 HV0.2。采用鹽溶液淬火可獲得更細(xì)的回火馬氏體，因此提高了試樣的硬度。

3） 經(jīng)鹽溶液淬火后，40CrNiMoA鋼的磨損量最小，其磨損機(jī)制主要以氧化磨損為主，這些氧化物粘附在材料表面阻止了磨粒磨損的發(fā)生和裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而提高了試樣的耐磨性能。

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第一作者：羅杰（1994—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻鏌崽幚?。E-mail：15286264030@163.com。

通信作者：李祥（1983—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻饘俨牧媳砻婕庸ぁ-mail：han0104l@163.com。