摘 要：采用光学显微镜(OM)、电子万能拉伸试验机、冲击试验机等设备和手段，研究了淬火工艺参数对40Cr合 金 钢 调 质 组织和性能的影响。结果表明，当40Cr合金钢奥氏体化完全、晶粒未粗化的情况下，PAG 淬火液浓度是影响其组织和性能的主要因素，PAG淬火液浓度从2.60%升高至3.20%，钢的强度降低，塑性增加;PAG淬火液浓度继续升高至4.00%时，40Cr合金钢中铁素体含量增加，同时下贝氏体含量也增加，其 强 度 增 加，塑 性 降 低。当 40Cr合金钢淬火温度为 870 ℃、淬 火 频 率 为21Hz、PAG淬火液的浓度低于3.20% 时，钢中可避免出现铁素体和下贝氏体组织，调质处理时可获得理想的回火索氏体组织。
关键词：40Cr合金钢;调质工艺;金相组织;力学性能
1 前言
40Cr合金钢是机械制造业使用最广泛的钢之一，其调质处理后由于具有良好的综合力学性能而被应用于制造机械工程用高强度结构件[1-2]。虽然目前国外关于40Cr合金钢热处理、组织和性能的相关研究报道 较 多[3-8]，但是在实际生产过程中仍经常出现40Cr合金钢热处理工艺参数不合理而不能保证其性能 提 升 的 问 题，如 淬 火 保 温 温 度、淬 火 频率、冷却剂[9-11]等 工 艺 参 数 设 计 不 合 理 时，钢 中 会出现铁素体等异常组织，不符合客户的需求。为了防止40Cr合金钢在生产中调质处理后产生铁素体等异常组织，研究了不同淬火工艺参数对40Cr合金钢组织与性能的影响，以期为实际生产中制定合理的淬火工艺提供理论依据和技术支持。
2 试验材料与方法
试验用40Cr合金钢的化学成分见表 1，试 样为?63 mm×427.5 mm 的 圆 筒 形 (内 孔 直 径 为?31.8mm)试样。
采用网 带 炉 进 行 调 质 处 理 试 验，主 要 调 整 淬火温度、淬 火 频 率 和 PAG 淬 火 液 浓 度，回 火 温 度均 为630 ℃，回 火 频 率 均 为24 Hz，具 体 工 艺 参 数 见表2。
试样调质处理完成后，分别对试样表层和壁厚1/4处 纵 向 取 样 进 行 显 微 组 织 观 察 和 力 学 性 能 检测。按照 GB/T13298标准制备金相试样，采 用 浓度为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，采 用 LEICA DMI8M 倒置金相显微镜观察并分析40Cr合金钢的金相组织;按照 GB/T6397标准制备直径为?10mm、标距为50mm 的圆棒拉伸试样，按照 GB/T228标准进行室温拉伸试验;按照 GB/T229标准制备10mm× 10mm×55mm 的“V”形 缺 口 冲 击 试 样，分 别 检 测20 、-40 ℃时试样的冲击功。
3 试验结果及分析
3.1 不同淬火工艺参数下40Cr钢的显微组织
图1为淬火温 度 为870 ℃、淬 火 频 率 为21 Hz时，不同 PAG 淬火液浓度下40Cr合金钢表层和1/4厚度处的金相组织。从图1可知，40Cr合金钢的主要组织为 回 火 索 氏 体，保留了马氏体形貌特征;当 PAG 淬 火 液 浓 度 为2.6%时，40Cr合 金 钢 表 层还含有少量 的 下 贝 氏 体 组 织;当 PAG 淬 火 液 浓 度增加到3.2%时，表层的原奥氏体晶界出 现 了 极 少量的铁素体，1/4厚 度 处 原 奥 氏 体 晶 界 也 出 现 了 少量的铁素体组织;当 PAG 淬火液浓度增加到3.5%时，出现了下贝氏体组织，铁素体含量增加，尤其是1/4厚度处 原 奥 氏 体 晶 界 出 现 了 较 多 的 铁 素 体 组织。金相检验结果表明：淬火温度为870℃、淬火频率为21Hz时，奥氏体化完全，合金元素完全固溶，未出现未 溶 铁 素 体 组 织。随 着 PAG 淬 火 液 浓 度 增加，表层逐渐出现极少量的铁素体异常组织且1/4厚度处的原奥氏体晶界处逐渐出现少量条状铁素体异常组织，这主要是由于 PAG 淬火液浓度增加，冷速不足，导致淬火液冷却的能力下降加之材料淬透性不足所致。
图2为淬火温 度 为850 ℃、淬 火 频 率 为24 Hz时，不同 PAG 淬火液浓度下40Cr合金钢表层和1/4厚度处的金相显微组织。从图2可知，40Cr合金钢的主要组织为回火索氏体，保留了马氏体形貌特征，其中 PAG 淬火液浓度为3.0%时，40Cr合金钢表层和1/4厚度处均存在少量条带状铁素体组织;当 PAG 淬 火 液 浓 度 增 加 至4.0%时，40Cr合 金 钢中出现 较 多 下 贝 氏 体 组 织，铁 素 体 的 含 量 明 显 增加，1/4厚度处铁素体沿奥氏体晶界分布明显，具有形成网状铁素体的趋势。在此淬火温度下，已奥氏体化完全，合 金 元 素 充 分 固 溶，为 未 出 现 未 溶 铁 素体。随着 PAG 淬 火 液 浓 度 增 加，40Cr合 金 钢 表 层和1/4厚度处的铁素体异常组织逐渐增多同样是由于 PAG 淬火液浓度增加，冷速不足，导致淬火液冷却能力下降，材料淬透性不足所致。
通过分析不同淬火工艺条件下40Cr合金钢的金相 组 织 可 以 发 现，淬 火 温 度 850 ℃、淬 火 频 率24Hz和淬火温度870 ℃、淬火频率21Hz情况下，40Cr合金钢均完全实现奥氏体化，未出现 欠 热、过热等异常 组 织;PAG 淬 火 液 浓 度 为3.0%、3.2%、3.5%时，40Cr合金钢的金相组织一致，均为回火索氏体+少 量 条 带 状 铁 素 体;而 PAG 淬 火 液 浓 度 为2.6%时，40Cr合 金 钢 为 理 想 回 火 索 氏 体，PAG 淬火液 浓 度 为 4.0% 时，40Cr合 金 钢 中 铁 素 体 含 量过多。
3.2 不同淬火工艺参数下40Cr钢的力学性能
表3为不同调质工艺下40Cr合金钢的力学性能，分别对试验数据进行统计，计算40Cr合金钢的冲击功、强度、断 后 伸 长 率、收 缩 率 平 均 值，并 绘 制了随不同淬火工艺参数的变化规律，如图3、图4和图5所示。
图3为 不 同 淬 火 工 艺 参 数 下 40Cr合 金 钢 在20、-40 ℃时 的 冲 击 功。从 图3可 以 看 出，当 温 度为20 ℃时，40Cr合金钢试样冲击功大小的排序为1# 试样>4# 试样>3# 试样，但是差异不显著;当温度为-40 ℃时，40Cr合 金 钢 试 样 冲 击 功 大 小 的 排序为1# 试样>4# 试样>3# 试样，差异较大，即淬火温度为870 ℃时，随 PAG 淬火液浓度升高，40Cr合金钢的冲击功先减小后增大，尤其是低温测试时更加明显，当 PAG 淬火液浓度为3.2%时，冲击韧性最差。当温度为20 ℃，淬火温度为850 ℃时，2# 试样的冲击功要大于5# 试样的冲击功，差异明显;当温度为-40 ℃，淬火温度为850 ℃时，2# 试样的冲击功要大于5# 试样的冲击功，差异较小。其变化规律表明，淬火温度为850 ℃时，室温条件下 PAG 淬火液浓度对40Cr合金钢冲击韧性的影响明显，低温条件下 PAG 淬 火 液 浓 度 对40Cr合 金 钢 冲 击 韧 性的影 响 较 小;淬 火 温 度 为 870 ℃ 时，室 温 条 件 下PAG 淬火液浓度对40Cr合金钢冲击韧性的影响较小，低温条件下 PAG 淬火液浓度对40Cr合金钢冲击韧性的影响较明显。
相关知识推荐：淬火工艺有关的论文文献推荐
图4为不同淬火工艺参数下40Cr合金钢试样抗拉强度、屈 服 强 度。从 图 4 可 以 看 出，淬 火 温 度870 ℃时，40Cr合金钢试样的抗拉强度和屈服强度均随 PAG 淬 火 液 浓 度 增 加 而 略 有 降 低;而 淬 火 温度为850 ℃时，40Cr合金钢抗拉强度和屈服强度均随 PAG 淬火液浓度的增加而升高。
图5为不同淬火工艺参数下40Cr合金钢试样断后伸长率和收缩率。从图5可以看出，淬火温度为870 ℃时，40Cr合金钢试样断后伸长率随 PAG淬火液浓度 升 高 而 增 加，而 淬 火 温 度 为850 ℃时，40Cr合金钢试样断后伸长率随 PAG 淬火液浓度增加而降低;淬火温度为870 ℃时，PAG 淬 火 液 浓 度对40Cr合金钢试样的断面收缩率影响不大，而淬火温度为 850 ℃ 时，40Cr合金钢试样断面收缩率随PAG 淬火液浓度升高略有降低。
通过分析40Cr合金钢的力学性能测试结果发现，淬火温度为870 ℃、淬火频率为21Hz时，PAG淬火液浓度为2.6%、3.2%、3.5%时，40Cr合金钢韧性先降低后增 加，-40 ℃时 尤 其 明 显，同 时 抗 拉强度和屈服 强 度 逐 渐 减 小，塑 性 有 所 增 加;当 淬 火温度为850 ℃、淬火频率为24Hz时，PAG 淬火液浓度从3.0%增加至4.0%，40Cr合金钢在20 ℃时的韧性有所降低，而 在-40 ℃时 韧 性 无 明 显 差 异，同时强度 有 所 增 加，塑 性 降 低。试 验 结 果 表 明，淬火温度由850 ℃提高到870 ℃，40Cr钢的力学性能差异不大，变化规律不明显。
综上所述，PAG 淬 火 液 浓 度 升 高，铁 素 体 异 常组织增多，晶 粒 粗 大，钢 的 强 度 降 低，而 塑 性 增 加。PAG 淬火 液 浓 度 为3.2%时，40Cr合 金 钢-40 ℃ 冲击功最低，主要原因是钢的显微组织为回火索氏体+少量铁素体，而当 PAG 淬火液浓度高于3.2%时，铁素体含量增加，但下贝氏体含量也增加，所以40Cr合金钢的冲击韧性、强度也较高，即40Cr合金钢获得回火索氏体和下贝氏体组织，避免了出现铁素体组织，可获得良好的力学性能。
4 结论
(1)40Cr合金 钢 淬 火 温 度 为850 ℃、淬 火 频 率为24Hz时和淬火温度为870 ℃、淬火频率为21Hz时，均实现完全奥氏体化，合金元素充分固溶。
(2)当40Cr合金钢奥氏体化完全、晶粒未粗化的情况下，PAG 淬火液浓度是影响其组织和性能的主 要 因 素，PAG 淬 火 液 浓 度 从 2.6% 升 高 至3.2%，强度降低，塑性增加;PAG 淬火液浓 度 继 续增加至4.0%，40Cr合金钢中铁素体含量增 加，同时下贝氏体含量 也 增 加，钢的强度有所增 加，塑 性降低。
(3)40Cr合金钢淬火温度为870 ℃、淬 火 频 率为21Hz、PAG 淬火液的浓度低于3.2%时，可避免出现铁素体和下贝氏体，调质时能获得理想的回火索氏体。——论文作者：李光辉1，谭峰亮2，李鸿娟2
参考文献：
[1] 崔崑.钢铁 材 料 及 有 色 金 属 材 料[M].北 京：机 械 工 业 出 版社，1989.
[2] 崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1988.
[3] 杜畅，李明，武颖，等.亚温淬火对40Cr钢组织与力学性能的影响[J].热加工工艺，2017，46(14)：200.
[4] 陈涛，赵爱民，樊 红 亮，等.40Cr钢大断面工件的淬火工艺及淬火组织[J].热加工工艺，2017，46(2)：201.
[5] ZhouL，HuaG，XuZ，etal.Theinfluenceoftheaustenitein-versephasetransformation quenchingtemperatureinzerotimeholdingonmicrostructureandpropertyof40Crsteel[J].JournalofChinaCoalSociety，2010，35(8)：1391.
[6] 傅璞.40Cr热处理工艺及其组织与性能 [J].热 加 工 工 艺，2005，34(5)：110.
[7] 林宗德，陈文.浅谈40Cr钢调质热处理工艺及组织性能[J].装备制造技术，2014(4)：249.
[8] LiA M，Hu MJ.Influenceofquenchingtemperatureonmi-crostructureandpropertiesof40Crsteelbyzerotimeholdingquenching[J].AdvancedMaterialsResearch，2011，215：25.
[9] 胡绍文，刘麦秋，李卫明.水基淬火液 PAG 的使用[J].热加工工艺，2006，35(22)：76.
[10] 胡绍文，李 卫 明，刘 麦 秋.水溶性淬火介质[J].热 加 工 工 艺，2006，35(16)：75.
[11] 陈春怀，王欣，张文兴，等.聚合物水基淬火液的应用[J].中国有色金属学报，2001，11(2)：25.
