40Cr钢制曲轴正火热处理后性能研究

吕文涛，钱英豪，赵福兴，许明明

(江苏省特种设备安全监督检验研究院 苏州分院，江苏 苏州 215128)

40Cr钢制曲轴正火热处理后性能研究

吕文涛，钱英豪，赵福兴，许明明

(江苏省特种设备安全监督检验研究院 苏州分院，江苏 苏州 215128)

采用正火方法对40Cr钢制曲轴进行热处理，主要研究了曲轴热处理后的抗拉强度、冲击功和显微硬度等力学性能，并采用金相显微镜分析其显微组织。结果表明，经正火热处理后，工件由表及里的抗拉强度逐渐下降，冲击功无明显变化，延伸率略有增加，表层金相组织为铁素体、珠光体和下贝氏体，中层和里层金相组织均为铁素体和珠光体，晶粒度约为8级。

正火；40Cr；抗拉强度；冲击功；显微组织

40Cr钢是我国目前应用较为广泛的合金调质钢，被广泛应用于制造轴类、连杆、螺栓及重要齿轮等尺寸小同时要求不是很高的机器零部件[1]。该钢种传统的热处理工艺是将工件加热至所需的淬火温度后保温一段时间，然后进行低温或高温回火[2]。40Cr钢用于制造压缩机曲轴时,通常采用淬火加高温回火的调质工艺, 虽然目前该制造工艺已比较成熟，但在淬火时，以油为淬火介质往往得到的力学性能较低，而以水作为淬火介质，则含碳量相对较高的40Cr更容易产生淬火裂纹[3-4]。相比之下，正火热处理工艺设备简单，工序容易控制，当常规力学性能要求不高时(如压缩机曲轴)，有着替代调质等复杂热处理工艺的潜力。本文对40Cr钢制曲轴试样经正火热处理后的抗拉强度、冲击功、显微硬度和金相组织进行了试验研究，以间接分析其正火后的状态是否能满足曲轴在高疲劳强度和恶劣环境服役时的性能要求。

1 试验

1.1 试验材料及设备

试验采用生产线上经锻制且未经调质处理的曲轴工件简单加工成试样(约φ350 mm×400 mm)，所用设备及材料包括工业用冷却风扇、红外测温仪(1 000～25 ℃)、新三思液压式自动拉伸试验机(WEW-600)、蔡司显微镜(HAL-100)、冲击试验机(JB-300B)、智能温控箱式电阻炉(NWTX-12F，误差为±1 ℃)、显微硬度计(AHVD-1000XY)、4%硝酸酒精溶液、金相砂纸以及铣床和磨床等。

1.2 试验工艺

因曲轴工件直径较大，故将工件置于炉膛正中(热电传感器附近)。正火温度控制在865 ℃(AC3温度以上)，保温时间为25 min(不含加热时间)；工件出炉后置于通风状态下，采用大风量风冷的方式冷却，冷却速度>5.0 ℃/s； 待试样完全冷却至室温并经相应机械加工后，进行性能测试。

1.3 性能测试方法

截取工件圆柱部分，分别取工件表层、中层及心部制成3组试样，每组试样分别加工出拉伸、显微硬度、冲击和金相试样，并进行相关测试。其中，拉伸试样均按照GB/T 228.1-2010的规定加工成圆形试样(φ20 mm×120 mm)；显微硬度试样均加工成φ20 mm×10 mm的圆柱，两边经磨床磨光，表面粗糙度<1.6 μm；冲击试样按照GB/T 229-2007的规定，加工尺寸为10 mm×10 mm×55 mm；金相试样尺寸均为20 mm×10 mm。所有试验均在室温下进行，即(20±3) ℃。

2 结果与分析

2.1 金相组织

试样表层、中层和心部的显微组织照片如图1所示。从图1可以看出，表层试样的显微组织为铁素体、珠光体及下贝氏体，且下贝氏体所占比例不低，晶粒度为8级左右；中层及心部的显微组织均为铁素体和珠光体，晶粒度约为8级；心部显微组织的晶粒度为7～8级。结果表明，在相同的冷却条件下，试样表层与中层和心部的实际冷却速度是不同的，因此呈现出不同的显微组织，其中，表层试样冷却最快。由于40Cr中含碳量较高，淬透性较强，所以生成了一定量的下贝氏体。由于表层的隔离作用，中层和心部的冷却相对较慢，生成基本趋近于亚共析钢平衡态的组织。另外，由于40Cr中基本不存在细化晶粒的元素，所以试样中层和心部的显微组织虽然相同，但试样心部的晶粒相对中层较大，这在一定程度上也验证了冷却速度会对晶粒度产生影响。

图1 试样的显微组织照片

2.2 力学性能

试样的原始性能数据见表1， 3组试样经正火处理后的拉伸性能和显微硬度数据见表2， 3组试样经正火处理后的冲击性能数据见表3。正火处理前，试样的原始状态为退火态，从表1可以看出，其抗拉强度相对较低，延伸率相对较高，说明退火状态的工件强度和硬度较低，塑性较高。从表2可以看出，3组试样经正火处理后，试样强度相对初始状态均显著提高，延伸率则有所下降，其中，表层试样的强度最高，延伸率最低，中层和心部试样的力学性能相差不大。结合3组试样的显微组织照片分析，表层试样冷却条件最好，冷却最快，产生了一定量的下贝氏体，下贝氏体的存在可显著提高试样的强度和硬度，因为下贝氏体是材料中强韧度相对较好的相，是C元素在α铁素体中的过饱和固溶体，内部存在着大量的晶格畸变和位错，其必然会导致材料的强度和硬度增加，韧度和塑性下降，而中层试样和心部试样的强度、硬度及延伸率相差不多的现象[5]，这与试样各自的显微组织也是一致的。从表3可以看出，受下贝氏体强化相存在的影响，表层试样的冲击功最低，中层和心部试样的显微组织基本相同，因此冲击功相差不多。影响同种化学成分材料冲击功的主要因素通常为晶粒度和显微组织，而本次试验中，3组试样的晶粒度基本相差无几，即使心部试样冷却最慢，晶粒尺寸相对较大，其冲击功也并未有所降低。表层试样因与另外2组显微组织存在差异，冲击功明显不同。可见，冲击功值所表征的韧度对材料显微组织的敏感度要高于材料的晶粒度。

表1 试样原始性能数据

表2 正火后试样性能数据

表3 正火后试样冲击性能数据

3 讨论及建议

结合本次试验的结果来看，经正火处理后，40Cr钢制曲轴的抗拉强度、显微硬度和冲击功等力学性能较为理想，尤其是在强度整体较高的情况下，尚能保持良好的塑性和韧度，这对含碳量较高的40Cr钢来讲较为难得，如果单纯从强度角度考虑，其是可以满足曲轴要求的；但是，曲轴的实际服役寿命并非仅由本次试验中的力学性能指标决定，而是和疲劳强度共同决定的。在同等条件下，显微组织的均匀性及均一性对曲轴的疲劳强度显得尤为重要，表层试样中，虽然下贝氏体的存在强化了其力学性能，但是其比中层和心部多出了1个相，组织均匀性较差且该组成相比珠光体和铁素体强度要高，塑性和韧度要差，所以其服役时的应力状态较差，相对于中层和心部试样，其更容易产生起裂或者缺陷点。对于压缩机曲轴来讲，均匀稳定的铁素体和珠光体相结构更适用于承受中等强度的疲劳载荷，如果想简化曲轴热处理工序，不以调质工艺而采用正火处理的话，则应在保证强度的前提下，降低冷却速度，以尽可能少地生成下贝氏体，同时给予工件更多的加工裕量。正火处理后，将含下贝氏体的表层部分通过机械加工去除，从而得到均一铁素体和珠光体相结构的曲轴。

4 结语

对于40Cr钢制曲轴，正火处理后冷却速度为5.5 ℃/s时，其表层显微组织为铁素体、珠光体和下贝氏体，晶粒度为8级，组织结构相对不均匀，中层和心部显微组织均为铁素体和珠光体，晶粒度分别为8级和7～8级，组织结构均匀。对于40Cr钢制曲轴，正火处理后冷却速度为5.5 ℃/s时，其抗拉强度、显微硬度和冲击功等力学性能相对于原始状态显著提高，表层部分抗拉强度和显微硬度最高，冲击功相对较低，中层和心部处抗拉强度和显微硬度比表层部分略低，冲击功相对较高。

[1] 杨在志.热处理工艺对40Cr钢组织性能的影响[J].钢结构,2008(1):16-17.

[2] 邓楚平.45钢、40Cr钢调质热处理新工艺研究[J].湖南有色金属,2004(6):25-26.

[3] 李克生,王阔军.40Cr锻钢曲轴毛胚调质裂纹分析及技术对策[J].国外金属热处理,2003,24(6):42-43.

[4] 刘云旭.金属热处理原理[M].北京:机械工业出版社，1981.

[5] 吕文涛,黄长虹.冷却速度对36Mn2V制N80-1钢级油管性能的影响[J].热加工工艺,2011,40(18):164-166.

责任编辑李思文

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

吕文涛(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事锅炉、压力容器、压力管道用金属材料的性能及检验检测等方面的研究。

2014-08-25