40cr鋼制曲軸正火熱處理工藝的研究

40cr鋼制曲軸正火熱處理工藝的研究

40c鋼是我國廣泛使用的研磨合金調(diào)質(zhì)鋼。它廣泛應(yīng)用于尺寸小、拆卸、螺母和重要齒輪的制造工藝中。由于尺寸小，不需要非常高的機(jī)械零件，因此需要更多的尺寸。1測試1.1設(shè)備及材料安裝試驗(yàn)采用生產(chǎn)線上經(jīng)鍛制且未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的曲軸工件簡單加工成試樣(約ue788350mm×400mm),所用設(shè)備及材料包括工業(yè)用冷卻風(fēng)扇、紅外測溫儀(1000~25℃)、新三思液壓式自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)(WEW-600)、蔡司顯微鏡(HAL-100)、沖擊試驗(yàn)機(jī)(JB-300B)、智能溫控箱式電阻爐(NWTX-12F,誤差為±1℃)、顯微硬度計(jì)(AHVD-1000XY)、4%硝酸酒精溶液、金相砂紙以及銑床和磨床等。1.2溫度控制因曲軸工件直徑較大,故將工件置于爐膛正中(熱電傳感器附近)。正火溫度控制在865℃(AC3溫度以上),保溫時(shí)間為25min(不含加熱時(shí)間);工件出爐后置于通風(fēng)狀態(tài)下,采用大風(fēng)量風(fēng)冷的方式冷卻,冷卻速度>5.0℃/s;待試樣完全冷卻至室溫并經(jīng)相應(yīng)機(jī)械加工后,進(jìn)行性能測試。1.3金相拉伸和沖擊試樣加工截取工件圓柱部分,分別取工件表層、中層及心部制成3組試樣,每組試樣分別加工出拉伸、顯微硬度、沖擊和金相試樣,并進(jìn)行相關(guān)測試。其中,拉伸試樣均按照GB/T228.1-2010的規(guī)定加工成圓形試樣(ф20mm×120mm);顯微硬度試樣均加工成ф20mm×10mm的圓柱,兩邊經(jīng)磨床磨光,表面粗糙度<1.6μm;沖擊試樣按照GB/T229-2007的規(guī)定,加工尺寸為10mm×10mm×55mm;金相試樣尺寸均為20mm×10mm。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行,即(20±3)℃。2結(jié)果與分析2.1顯微組織的變化試樣表層、中層和心部的顯微組織照片如圖1所示。從圖1可以看出,表層試樣的顯微組織為鐵素體、珠光體及下貝氏體,且下貝氏體所占比例不低,晶粒度為8級(jí)左右;中層及心部的顯微組織均為鐵素體和珠光體,晶粒度約為8級(jí);心部顯微組織的晶粒度為7~8級(jí)。結(jié)果表明,在相同的冷卻條件下,試樣表層與中層和心部的實(shí)際冷卻速度是不同的,因此呈現(xiàn)出不同的顯微組織,其中,表層試樣冷卻最快。由于40Cr中含碳量較高,淬透性較強(qiáng),所以生成了一定量的下貝氏體。由于表層的隔離作用,中層和心部的冷卻相對(duì)較慢,生成基本趨近于亞共析鋼平衡態(tài)的組織。另外,由于40Cr中基本不存在細(xì)化晶粒的元素,所以試樣中層和心部的顯微組織雖然相同,但試樣心部的晶粒相對(duì)中層較大,這在一定程度上也驗(yàn)證了冷卻速度會(huì)對(duì)晶粒度產(chǎn)生影響。2.2材料的力學(xué)性能試樣的原始性能數(shù)據(jù)見表1,3組試樣經(jīng)正火處理后的拉伸性能和顯微硬度數(shù)據(jù)見表2,3組試樣經(jīng)正火處理后的沖擊性能數(shù)據(jù)見表3。正火處理前,試樣的原始狀態(tài)為退火態(tài),從表1可以看出,其抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低,延伸率相對(duì)較高,說明退火狀態(tài)的工件強(qiáng)度和硬度較低,塑性較高。從表2可以看出,3組試樣經(jīng)正火處理后,試樣強(qiáng)度相對(duì)初始狀態(tài)均顯著提高,延伸率則有所下降,其中,表層試樣的強(qiáng)度最高,延伸率最低,中層和心部試樣的力學(xué)性能相差不大。結(jié)合3組試樣的顯微組織照片分析,表層試樣冷卻條件最好,冷卻最快,產(chǎn)生了一定量的下貝氏體,下貝氏體的存在可顯著提高試樣的強(qiáng)度和硬度,因?yàn)橄仑愂象w是材料中強(qiáng)韌度相對(duì)較好的相,是C元素在α鐵素體中的過飽和固溶體,內(nèi)部存在著大量的晶格畸變和位錯(cuò),其必然會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和硬度增加,韌度和塑性下降,而中層試樣和心部試樣的強(qiáng)度、硬度及延伸率相差不多的現(xiàn)象3下貝氏體的防護(hù)服性能結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果來看,經(jīng)正火處理后,40Cr鋼制曲軸的抗拉強(qiáng)度、顯微硬度和沖擊功等力學(xué)性能較為理想,尤其是在強(qiáng)度整體較高的情況下,尚能保持良好的塑性和韌度,這對(duì)含碳量較高的40Cr鋼來講較為難得,如果單純從強(qiáng)度角度考慮,其是可以滿足曲軸要求的;但是,曲軸的實(shí)際服役壽命并非僅由本次試驗(yàn)中的力學(xué)性能指標(biāo)決定,而是和疲勞強(qiáng)度共同決定的。在同等條件下,顯微組織的均勻性及均一性對(duì)曲軸的疲勞強(qiáng)度顯得尤為重要,表層試樣中,雖然下貝氏體的存在強(qiáng)化了其力學(xué)性能,但是其比中層和心部多出了1個(gè)相,組織均勻性較差且該組成相比珠光體和鐵素體強(qiáng)度要高,塑性和韌度要差,所以其服役時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)較差,相對(duì)于中層和心部試樣,其更容易產(chǎn)生起裂或者缺陷點(diǎn)。對(duì)于壓縮機(jī)曲軸來講,均勻穩(wěn)定的鐵素體和珠光體相結(jié)構(gòu)更適用于承受中等強(qiáng)度的疲勞載荷,如果想簡化曲軸熱處理工序,不以調(diào)質(zhì)工藝而采用正火處理的話,則應(yīng)在保證強(qiáng)度的前提下,降低冷卻速度,以盡可能少地生成下貝氏體,同時(shí)給予工件更多的加工裕量。正火處理后,將含下貝氏體的表層部分通過機(jī)械加工去除,從而得到均一鐵素體和珠光體相結(jié)構(gòu)的曲軸。4顯微組織結(jié)構(gòu)為鐵素體和珠光體,顯微組織以鐵素體和珠光體為原料,實(shí)行不同晶粒度的顯微組織見表12.對(duì)于40Cr鋼制曲軸,正火處理后冷卻速度為5.5℃/s時(shí),其表層顯微組織為鐵素體、珠光體和下貝氏體,晶粒度為8級(jí),組織結(jié)構(gòu)相對(duì)不均勻,中層和心部顯微組織均為鐵素體和珠光體,晶粒度分別為8級(jí)和7~8級(jí),組織結(jié)構(gòu)均勻。對(duì)于40C