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摘 要： 摘 要：采用光學顯微鏡(OM)、電子萬能拉伸試驗機、沖擊試驗機等設備和手段，研究了淬火工藝參數對40Cr合 金 鋼 調 質 組織和性能的影響。結果表明，當40Cr合金鋼奧氏體化完全、晶粒未粗化的情況下，PAG 淬火液濃度是影響其組織和性能的主要因素，PAG淬火液濃度從2.60%
摘 要：采用光學顯微鏡(OM)、電子萬能拉伸試驗機、沖擊試驗機等設備和手段，研究了淬火工藝參數對40Cr合 金 鋼 調 質 組織和性能的影響。結果表明，當40Cr合金鋼奧氏體化完全、晶粒未粗化的情況下，PAG 淬火液濃度是影響其組織和性能的主要因素，PAG淬火液濃度從2.60%升高至3.20%，鋼的強度降低，塑性增加;PAG淬火液濃度繼續升高至4.00%時，40Cr合金鋼中鐵素體含量增加，同時下貝氏體含量也增加，其 強 度 增 加，塑 性 降 低。當 40Cr合金鋼淬火溫度為 870 ℃、淬 火 頻 率 為21Hz、PAG淬火液的濃度低于3.20% 時，鋼中可避免出現鐵素體和下貝氏體組織，調質處理時可獲得理想的回火索氏體組織。
關鍵詞：40Cr合金鋼;調質工藝;金相組織;力學性能
1 前言
40Cr合金鋼是機械制造業使用最廣泛的鋼之一，其調質處理后由于具有良好的綜合力學性能而被應用于制造機械工程用高強度結構件[1-2]。雖然目前國外關于40Cr合金鋼熱處理、組織和性能的相關研究報道 較 多[3-8]，但是在實際生產過程中仍經常出現40Cr合金鋼熱處理工藝參數不合理而不能保證其性能 提 升 的 問 題，如 淬 火 保 溫 溫 度、淬 火 頻率、冷卻劑[9-11]等 工 藝 參 數 設 計 不 合 理 時，鋼 中 會出現鐵素體等異常組織，不符合客戶的需求。為了防止40Cr合金鋼在生產中調質處理后產生鐵素體等異常組織，研究了不同淬火工藝參數對40Cr合金鋼組織與性能的影響，以期為實際生產中制定合理的淬火工藝提供理論依據和技術支持。
2 試驗材料與方法
試驗用40Cr合金鋼的化學成分見表 1，試 樣為63 mm×427.5 mm 的 圓 筒 形 (內 孔 直 徑 為31.8mm)試樣。
采用網 帶 爐 進 行 調 質 處 理 試 驗，主 要 調 整 淬火溫度、淬 火 頻 率 和 PAG 淬 火 液 濃 度，回 火 溫 度均 為630 ℃，回 火 頻 率 均 為24 Hz，具 體 工 藝 參 數 見表2。
試樣調質處理完成后，分別對試樣表層和壁厚1/4處 縱 向 取 樣 進 行 顯 微 組 織 觀 察 和 力 學 性 能 檢測。按照 GB/T13298標準制備金相試樣，采 用 濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采 用 LEICA DMI8M 倒置金相顯微鏡觀察并分析40Cr合金鋼的金相組織;按照 GB/T6397標準制備直徑為10mm、標距為50mm 的圓棒拉伸試樣，按照 GB/T228標準進行室溫拉伸試驗;按照 GB/T229標準制備10mm× 10mm×55mm 的“V”形 缺 口 沖 擊 試 樣，分 別 檢 測20 、-40 ℃時試樣的沖擊功。
3 試驗結果及分析
3.1 不同淬火工藝參數下40Cr鋼的顯微組織
圖1為淬火溫 度 為870 ℃、淬 火 頻 率 為21 Hz時，不同 PAG 淬火液濃度下40Cr合金鋼表層和1/4厚度處的金相組織。從圖1可知，40Cr合金鋼的主要組織為 回 火 索 氏 體，保留了馬氏體形貌特征;當 PAG 淬 火 液 濃 度 為2.6%時，40Cr合 金 鋼 表 層還含有少量 的 下 貝 氏 體 組 織;當 PAG 淬 火 液 濃 度增加到3.2%時，表層的原奧氏體晶界出 現 了 極 少量的鐵素體，1/4厚 度 處 原 奧 氏 體 晶 界 也 出 現 了 少量的鐵素體組織;當 PAG 淬火液濃度增加到3.5%時，出現了下貝氏體組織，鐵素體含量增加，尤其是1/4厚度處 原 奧 氏 體 晶 界 出 現 了 較 多 的 鐵 素 體 組織。金相檢驗結果表明：淬火溫度為870℃、淬火頻率為21Hz時，奧氏體化完全，合金元素完全固溶，未出現未 溶 鐵 素 體 組 織。隨 著 PAG 淬 火 液 濃 度 增加，表層逐漸出現極少量的鐵素體異常組織且1/4厚度處的原奧氏體晶界處逐漸出現少量條狀鐵素體異常組織，這主要是由于 PAG 淬火液濃度增加，冷速不足，導致淬火液冷卻的能力下降加之材料淬透性不足所致。
圖2為淬火溫 度 為850 ℃、淬 火 頻 率 為24 Hz時，不同 PAG 淬火液濃度下40Cr合金鋼表層和1/4厚度處的金相顯微組織。從圖2可知，40Cr合金鋼的主要組織為回火索氏體，保留了馬氏體形貌特征，其中 PAG 淬火液濃度為3.0%時，40Cr合金鋼表層和1/4厚度處均存在少量條帶狀鐵素體組織;當 PAG 淬 火 液 濃 度 增 加 至4.0%時，40Cr合 金 鋼中出現 較 多 下 貝 氏 體 組 織，鐵 素 體 的 含 量 明 顯 增加，1/4厚度處鐵素體沿奧氏體晶界分布明顯，具有形成網狀鐵素體的趨勢。在此淬火溫度下，已奧氏體化完全，合 金 元 素 充 分 固 溶，為 未 出 現 未 溶 鐵 素體。隨著 PAG 淬 火 液 濃 度 增 加，40Cr合 金 鋼 表 層和1/4厚度處的鐵素體異常組織逐漸增多同樣是由于 PAG 淬火液濃度增加，冷速不足，導致淬火液冷卻能力下降，材料淬透性不足所致。
通過分析不同淬火工藝條件下40Cr合金鋼的金相 組 織 可 以 發 現，淬 火 溫 度 850 ℃、淬 火 頻 率24Hz和淬火溫度870 ℃、淬火頻率21Hz情況下，40Cr合金鋼均完全實現奧氏體化，未出現 欠 熱、過熱等異常 組 織;PAG 淬 火 液 濃 度 為3.0%、3.2%、3.5%時，40Cr合金鋼的金相組織一致，均為回火索氏體+少 量 條 帶 狀 鐵 素 體;而 PAG 淬 火 液 濃 度 為2.6%時，40Cr合 金 鋼 為 理 想 回 火 索 氏 體，PAG 淬火液 濃 度 為 4.0% 時，40Cr合 金 鋼 中 鐵 素 體 含 量過多。
3.2 不同淬火工藝參數下40Cr鋼的力學性能
表3為不同調質工藝下40Cr合金鋼的力學性能，分別對試驗數據進行統計，計算40Cr合金鋼的沖擊功、強度、斷 后 伸 長 率、收 縮 率 平 均 值，并 繪 制了隨不同淬火工藝參數的變化規律，如圖3、圖4和圖5所示。
圖3為 不 同 淬 火 工 藝 參 數 下 40Cr合 金 鋼 在20、-40 ℃時 的 沖 擊 功。從 圖3可 以 看 出，當 溫 度為20 ℃時，40Cr合金鋼試樣沖擊功大小的排序為1# 試樣>4# 試樣>3# 試樣，但是差異不顯著;當溫度為-40 ℃時，40Cr合 金 鋼 試 樣 沖 擊 功 大 小 的 排序為1# 試樣>4# 試樣>3# 試樣，差異較大，即淬火溫度為870 ℃時，隨 PAG 淬火液濃度升高，40Cr合金鋼的沖擊功先減小后增大，尤其是低溫測試時更加明顯，當 PAG 淬火液濃度為3.2%時，沖擊韌性最差。當溫度為20 ℃，淬火溫度為850 ℃時，2# 試樣的沖擊功要大于5# 試樣的沖擊功，差異明顯;當溫度為-40 ℃，淬火溫度為850 ℃時，2# 試樣的沖擊功要大于5# 試樣的沖擊功，差異較小。其變化規律表明，淬火溫度為850 ℃時，室溫條件下 PAG 淬火液濃度對40Cr合金鋼沖擊韌性的影響明顯，低溫條件下 PAG 淬 火 液 濃 度 對40Cr合 金 鋼 沖 擊 韌 性的影 響 較 小;淬 火 溫 度 為 870 ℃ 時，室 溫 條 件 下PAG 淬火液濃度對40Cr合金鋼沖擊韌性的影響較小，低溫條件下 PAG 淬火液濃度對40Cr合金鋼沖擊韌性的影響較明顯。
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圖4為不同淬火工藝參數下40Cr合金鋼試樣抗拉強度、屈 服 強 度。從 圖 4 可 以 看 出，淬 火 溫 度870 ℃時，40Cr合金鋼試樣的抗拉強度和屈服強度均隨 PAG 淬 火 液 濃 度 增 加 而 略 有 降 低;而 淬 火 溫度為850 ℃時，40Cr合金鋼抗拉強度和屈服強度均隨 PAG 淬火液濃度的增加而升高。
圖5為不同淬火工藝參數下40Cr合金鋼試樣斷后伸長率和收縮率。從圖5可以看出，淬火溫度為870 ℃時，40Cr合金鋼試樣斷后伸長率隨 PAG淬火液濃度 升 高 而 增 加，而 淬 火 溫 度 為850 ℃時，40Cr合金鋼試樣斷后伸長率隨 PAG 淬火液濃度增加而降低;淬火溫度為870 ℃時，PAG 淬 火 液 濃 度對40Cr合金鋼試樣的斷面收縮率影響不大，而淬火溫度為 850 ℃ 時，40Cr合金鋼試樣斷面收縮率隨PAG 淬火液濃度升高略有降低。
通過分析40Cr合金鋼的力學性能測試結果發現，淬火溫度為870 ℃、淬火頻率為21Hz時，PAG淬火液濃度為2.6%、3.2%、3.5%時，40Cr合金鋼韌性先降低后增 加，-40 ℃時 尤 其 明 顯，同 時 抗 拉強度和屈服 強 度 逐 漸 減 小，塑 性 有 所 增 加;當 淬 火溫度為850 ℃、淬火頻率為24Hz時，PAG 淬火液濃度從3.0%增加至4.0%，40Cr合金鋼在20 ℃時的韌性有所降低，而 在-40 ℃時 韌 性 無 明 顯 差 異，同時強度 有 所 增 加，塑 性 降 低。試 驗 結 果 表 明，淬火溫度由850 ℃提高到870 ℃，40Cr鋼的力學性能差異不大，變化規律不明顯。
綜上所述，PAG 淬 火 液 濃 度 升 高，鐵 素 體 異 常組織增多，晶 粒 粗 大，鋼 的 強 度 降 低，而 塑 性 增 加。PAG 淬火 液 濃 度 為3.2%時，40Cr合 金 鋼-40 ℃ 沖擊功最低，主要原因是鋼的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，而當 PAG 淬火液濃度高于3.2%時，鐵素體含量增加，但下貝氏體含量也增加，所以40Cr合金鋼的沖擊韌性、強度也較高，即40Cr合金鋼獲得回火索氏體和下貝氏體組織，避免了出現鐵素體組織，可獲得良好的力學性能。
4 結論
(1)40Cr合金 鋼 淬 火 溫 度 為850 ℃、淬 火 頻 率為24Hz時和淬火溫度為870 ℃、淬火頻率為21Hz時，均實現完全奧氏體化，合金元素充分固溶。
(2)當40Cr合金鋼奧氏體化完全、晶粒未粗化的情況下，PAG 淬火液濃度是影響其組織和性能的主 要 因 素，PAG 淬 火 液 濃 度 從 2.6% 升 高 至3.2%，強度降低，塑性增加;PAG 淬火液濃 度 繼 續增加至4.0%，40Cr合金鋼中鐵素體含量增 加，同時下貝氏體含量 也 增 加，鋼的強度有所增 加，塑 性降低。
(3)40Cr合金鋼淬火溫度為870 ℃、淬 火 頻 率為21Hz、PAG 淬火液的濃度低于3.2%時，可避免出現鐵素體和下貝氏體，調質時能獲得理想的回火索氏體。——論文作者：李光輝1，譚峰亮2，李鴻娟2
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