40CrNiMoA合金钢热处理工艺的试验研究

本文介绍了40CrNiMoA材质热处理工艺的试验研究, 内容包括不同热处理工艺下的常温力学性能试验及低温冲击性能试验 。结果表明, 40CrNiMoA采用 860 ℃水、油冷 +550 ℃空冷;860 ℃水、油冷 +570 ℃空冷的工艺热处理后金相组织合理, 强度、硬度和低温冲击韧性均满足产品技术条件要求。

关键词:热处理工艺;40CrNiMoA

40CrNiMoA为超高强度钢, 用作要求韧性好、强度高及大尺寸的重要调质件, 如重型机械中承受高载荷的轴类, 直径大于 250 mm的汽轮机轴、叶片, 高载荷的传动件、坚固件 、曲轴、齿轮等

[ 1] 。我公司在某氨合成塔产品设计中采用了40CrNiMoA作为螺柱。这种螺柱要求很高的常温

力学性能, 与螺母配套使用 (要求螺硬度值不小于 HB315), 同时由于产品的使用温度较低, 还有-22.3 ℃低温冲击要求。具体技术要求见表 1所示。为了探讨获得综合工艺性能的最佳热处理工艺 , 进行了不同工艺参数的实验及力学性能、低温性能试验。

试验材料与方法：

实验用直径110 mm, 长度130 mm的40CrNiMoA轧制圆钢作为实验试样, 试样材料状态为热加工后退火。材料验收标准为 GB/T3077-1999, 实验使用试样材料均符合材料验收标准。GB/T3077 -1999及本实验所采用试样材料的化学成分 、力学性能数据见表 2所示。

实验使用 RX3 -45 -9箱式电阻炉热处理炉进行热处理, 用 WJ-l0A型机械式万能试验机进行拉伸试验, 用 JB30B型冲击试验机进行冲击试验, 用 HB-3000 型布氏硬度计进行布氏硬度测定 。

40CrNiMoA材质的淬火热处理数实验及结果：

40CrNiMoA材质的奥氏体化温度为 830 ℃,

本实验将钢加热至 860 ℃, 并保温一段时间, 使材质完全奥氏体化, 然后以不同方法进行冷却, 显著提高钢的强度和硬度 。40CrNiMoA材质的淬火热处理数实验及结果见表 3所示。

40CrNiMoA材质的回火热处理实验：

40CrNiMoA材质的 Ac1 温度为 732 ℃, 本实验将淬火后的完好试样加热到 Ac1以下的某一

温度, 保温以后以适当方式冷却到室温, 提高40CrNiMoA材质的塑性和韧性, 获得良好的综合

力学性能。

2试验结果及分析

2.1热处理及性能

热处理及性能如表 4所示。

从以上结果可知 :试样油淬后, 表面硬度达到HB331、HB321、HB331、HB320、HB311、HB315, 回火后, 硬度、强度降低, 均未达到技术要求 ;试样水冷后形成裂纹, 说明冷却速度过大, 使这种高碳的材质在冷却过程中产生了过大的内应力, 说明此工艺在生产过程中无法进行;水 、油双冷后, 试样完好无损, 表面硬度达到 HB470( HRC48) 、HB585( HRC55) 、HB486 ( HRC49),550 ℃和 570 ℃回火后强度、伸长率 、硬度、常温冲击韧性、低温冲击韧性均达到技术要求。且在实验的过程中, 所有水 、油冷的试样表面硬度均在 HRC45 ～ 59 以内,工艺参数稳定可靠。

2.2

金相组织

图 1、图 2和图 3均为回火马氏体组织 +铁素体组织, 晶粒细密, 属于典型的高碳钢淬火组织 。板条马氏体含量很高, 分布均匀, 使试样具有较高的强度 、硬度等力学性能, 但同时也使材质韧性较低 。少量细条状的铁素体均匀分布在板条状·30·锅炉制造总第 219期的板条马氏体基体上, 改善了试样的韧性, 使试样低温冲击韧性良好, 但同时这种铁素体的存在也降低了强度及硬度指标。

图 4基本为贝氏体组织 。由于淬火时冷却速度过小及 40CrNiMoA的高含碳量, 未形成板条马

氏体组织, 形成了大量细密贝氏体组织, 使强度及硬度等值较低, 无法达到技术要求。