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，不需要非常高的機械零件，因此需要更多的尺寸。1測試1.1設備及材料安裝試驗采用生產(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),所用設備及材料包括工業(yè)用冷卻風扇、紅外測溫儀(1000~25℃)、新三思液壓式自動拉伸試驗機(WEW-600)、蔡司顯微鏡(HAL-100)、沖擊試驗機(JB-300B)、智能溫控箱式電阻爐(NWTX-12F,誤差為±1℃)、顯微硬度計(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),保溫時間為25min(不含加熱時間);工件出爐后置于通風狀態(tài)下,采用大風量風冷的方式冷卻,冷卻速度>5.0℃/s;待試樣完全冷卻至室溫并經(jīng)相應機械加工后,進行性能測試。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,并進行相關測試。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。所有試驗均在室溫下進行,即(20±3)℃。2結果與分析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;心部顯微組織的晶粒度為7~8級。結果表明,在相同的冷卻條件下,試樣表層與中層和心部的實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,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中層較大,這在一定程度上也驗證了冷卻速度會對晶粒度產(chǎn)生影響。2.2材料的力學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,其抗拉強度相對較低,延伸率相對較高,說明退火狀態(tài)的工件強度和硬度較低,塑性較高。從表2可以看出,3組試樣經(jīng)正火處理后,試樣強度相對初始狀態(tài)均顯著提高,延伸率則有所下降,其中,表層試樣的強度最高,延伸率最低,中層和心部試樣的力學性能相差不大。結合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度和硬度,因為下貝氏體是材料中強韌度相對較好的相,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,其必然會導致材料的強度和硬度增加,韌度和塑性下降,而中層試樣和心部試樣的強度、硬度及延伸率相差不多的現(xiàn)象3下貝氏體的防護服性能結合本次試驗的結果來看,經(jīng)正火處理后,40Cr鋼制曲軸的抗拉強度、顯微硬度和沖擊功等力學性能較為理想,尤其是在強度整體較高的情況下,尚能保持良好的塑性和韌度,這對含碳量較高的40Cr鋼來講較為難得,如果單純從強度角度考慮,其是可以滿足曲軸要求的;但是,曲軸的實際服役壽命并非僅由本次試驗中的力學性能指標決定,而是和疲勞強度共同決定的。在同等條件下,顯微組織的均勻性及均一性對曲軸的疲勞強度顯得尤為重要,表層試樣中,雖然下貝氏體的存在強化了其力學性能,但是其比中層和心部多出了1個相,組織均勻性較差且該組成相比珠光體和鐵素體強度要高,塑性和韌度要差,所以其服役時的應力狀態(tài)較差,相對于中層和心部試樣,其更容易產(chǎn)生起裂或者缺陷點。對于壓縮機曲軸來講,均勻穩(wěn)定的鐵素體和珠光體相結構更適用于承受中等強度的疲勞載荷,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,則應在保證強度的前提下,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械加工去除,從而得到均一鐵素體和珠光體相結構的曲軸。4顯微組織結構為鐵素體和珠光體,顯微組織以鐵素體和珠光體為原料,實行不同晶粒度的顯微組織見表12.對于40Cr鋼制曲軸,正火處理后冷卻速度為5.5℃/s時,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,組織結構相對不均勻,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級和7~8級,組織結構均勻。對于40C