40Cr钢等温正火工艺探讨

2013-06-28重庆长风机器有限责任公司军品技术质量部江津602264陈金荣

金属加工(热加工) 2013年11期

重庆长风机器有限责任公司军品技术质量部（江津 602264）陈金荣

等温正火作为先进的零件预备热处理工艺，目前广泛用于汽车零件的低碳低合金渗碳钢，而中碳合金钢的等温正火工艺几乎没有介绍。本文依据钢的热处理相变原理和40Cr钢过冷奥氏体等温转变图，结合工厂生产条件，在多次试验的基础上，确定了40Cr钢较佳的等温正火工艺并用于生产，取得了很好的效果。

一、问题的提出

我公司某特种产品有个关键主件（Q机）坯件采用温挤压工艺成形，材料为40Cr钢，形状如图1所示。

图1 Q机坯件示意

原坯件的预备热处理采用正火，零件的工艺流程：下料→温挤压→正火→机加工→热处理→装配。坯件正火后在加工图2所示的φ16mm孔系（深孔）时，每批有10%～20%的零件在钻孔中有硬质点，出现钻不动“打刀”的现象。

图2 Q机加工示意

钻不动的坯件再重新进行正火或高温回火或调质处理后，效果不明显，仍钻不动，严重影响了生产进度和产品质量。

二、40Cr钢等温正火工艺制订

1. 40Cr钢加热相变

40Cr钢的Ac1约为743℃、Ar1约为694℃、Ac3约为782℃。实际生产中，奥氏体化温度常采用840～860℃以充分均匀化。含铬的碳化物不易溶解，加热不足时，可能有少量残留碳化物。

2. 设备

（1）可控气氛多用炉（前室带顶缓冷）VKES4/2—70/85/130CN——用于零件的奥氏体化及急冷。

可控气氛多用炉由带顶缓冷的前室、淬火油槽、可控气氛加热室、料盘驱动机构、中间门升降机构、前门升降及密封机构、电动升降等部分组成。工件用装料小车推进带顶缓冷的前室，料盘从前室至后室的往返由后驱动装置完成。全部的机械动作按已设定的程序自动完成。后室采用电加热的辐射管。在前室顶部的缓冷内装有气体循环冷却风扇及导流装置，在顶缓冷室周围设有油循环冷却的钢板焊接夹层，当工件进入缓冷室时，通过夹层中的油将热量带走。夹层循环油冷却采用热管式空冷换热器，冷却效率高。保护气氛是氮－甲醇。

（2）箱式高温回火炉KES4/2—70/85/130CN——用于零件的等温。高温回火炉炉膛内设置了耐热钢制导流套，电加热丝安装于炉膛内壁和导流套之间，炉气通过顶置的离心风扇，形成良好的导流加热系统，保证了加热均匀，温度偏差小。另外，还可通氮气进行保护气氛下加热。

3. 工艺流程

装夹→多用炉后室奥氏体化加热、保温→出后室到前室急冷→出炉迅速转到箱式回火炉等温→出炉空冷。

4. 等温正火工艺参数的制订

等温正火是将钢加热至奥氏体化（与普通正火相同），然后迅速冷至Ar1以下某一温度等温，使过冷奥氏体在该温度下转变为均匀细小的珠光体，再自由空冷。

（1）零件的装夹等温正火对零件装炉方式要求较为严格，主要目的是为了在中间冷却阶段获得良好的冷却均匀性，避免散热的不均匀和散热“死角”。零件采用立式分层、网格定位下支撑的方式装炉，这样可保证加热、冷却时气流从下向上流动，以确保零件的加热、冷却快速均匀。

（2）奥氏体化温度和时间的确定奥氏体化温度越高，保温时间越长，组织均匀性越好。此阶段的工艺参数与普通正火的基本相同，只是应注意装炉量和装炉方式。对于本试验的40Cr零件采用860℃×60min的规范。

（3）急冷方式急冷是本工艺的关键工序。目的是使奥氏体化后的零件以足够快的冷速通过两相区（F+P），抑制碳及其合金元素的远程扩散，以避免带状组织出现。其冷却方式是让出炉后的零件迅速进入一个专用冷却装置。零件在多用炉后室加热均温后，按预定程序转到前室并打开气体循环冷却风扇，通过夹层的油将热量带走，使零件的温度均匀快速下降。根据多次试验，急冷取12min较合适。

（4）等温温度和时间的确定等温温度主要依据零件的硬度要求而定，硬度要求较低时温度取靠上限，反之取靠下限。等温时间应依据材料等温转变图、装炉量和零件的有效厚度等加以确定，充分保证奥氏体向F+P完全转变有足够的时间。本工艺的等温设备采用箱式回火炉，用炉外的装卸小车把零件从多用炉转移到箱式回火炉。当零件从多用炉转入之前应把箱式回火炉的温度升到等温温度。本试验的40Cr零件采用680℃等温，时间为3h，另外从多用炉转入回火炉的转移时间越短越好，一般不超过2min。

（5）等温后冷却等温后的冷却速度从理论上讲已不影响相变，故可采用空冷、风冷或水冷，但为了使零件表层的残留应力最低，等温后以自由空冷为宜。