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内蒙古科技大学课程论文40CrNiMo钢的合金化及热处理摘 要40CrNiMo钢是一种经热处理后具有优良综合机械性能的高淬透性合金调质钢，一般要求在调质处理后使用，用来制作强度高、塑性好的重要零部件，经氮化处理后还能制作特殊性能要求的重要零件，如轴类、齿轮、紧固件等。本文简要介绍了它的化学成分、各种性能指标及其主要的用途，主要分析了它的合金化原理及其热处理工艺方案的的选定和工艺路线的安排，以在生产中获得合适的组织结构，满足工件的性能要求。关键词：40CrNiMo；合金化；调质处理Alloying and heat treatment of 40CrNiMo steelAbstract40CrNiMo steel is a kind of after heat treatment with excellent comprehensive mechanical properties of the high hardenability of alloy steel, general requirements for use in after quenching and tempering treatment, used for the production of high strength, good plastic parts, with a special performance requirements of the important parts of nitriding process canproduce, such as axle, gear, fasteners etc. This paper briefly introduces the chemical composition, its performance and usethe main, mainly analyzes the principle of alloying and heat treatment the arrangement process scheme selection andprocess route, in order to obtain the appropriate organizational structure in production, to meet the performance requirementsof workpiece.Key words:40CrNiMo ; alloying ; heat treatment1 前言 40CrNiMo钢具有高强度、良好的韧性、和良好的淬透性，其油淬临界直径60100mm，有抗过热的稳定性，但白点敏感性高，有回火脆性倾向，焊接性差，焊前需预热，焊后应消除应力，一般在调制处理后应用。它主要应用于要求韧性好。强度高及大尺寸的重要调质件，如重型机械中高负荷的轴类、直径大于250mm的汽轮机轴、直升机的旋翼轴、蜗轮喷气发动机的蜗轮轴、叶片、高负荷的传动件、曲轴紧固件、齿轮等。按照GB/T30771999合金结构钢规定，40CrNiMoA试样经850淬火，600回火后应达到如下性能:抗拉强度Rm980MPa，屈服强度Rp0.2835MPa，伸长率A12%，断面收缩率Z55%，冲击吸收能量KU278J，表面硬度无具体要求。生产合同上规定掏取的小试样调质后力学性能要求(纵向试样，1拉3冲):Rm1100MPa，Rp0.2900MPa，KV270J，伸长率与断面收缩率与国标要求一致，表面硬度320360HB1。2 40CrNiMo钢的合金化调质钢一般指适宜通过调质处理获得良好综合力学性能的中碳结构钢和合金结构钢。合金调质钢是在碳素调质钢的基础上发展起来的，我们知道碳素调质钢（如40、45等）在完全淬透的情况下，调质后的强度约为800MN/，可以满足机械制造上的一般需求2。对于要求高水平综合机械性能的零件，如连杆，高强度螺栓、飞机发动机轴等，要求整个截面都有较高的强韧性；截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要要求受力较大的表面有较好的性能，心部要求可低些。但碳素调质钢其淬透性低，热处理变形大等缺点限制了它在这些重要零件上的应用。为此需要通过加入合金元素来解决这些问题。但合金元素的加入虽然可以提高淬透性，但也带来了一些问题，如钢的冲击韧性问题、高温回火脆性问题等。2.1 40CrNiMo钢的化学成分调质钢的含碳量一般为0.25%0.5%。含碳量过低的碳化物数量不足，弥散强化作用小，强度不足；含碳量过高则韧性不足。调质钢中，加入的有主加元素，如Mn、Si、Cr、Ni、B，主要是提高淬透性，强化基体；而辅加元素有W、Mo、Ti、V等起细化晶粒，提高回火抗力的作用，W、Mo还有防止第二类回火脆性的作用；还有由于冶炼过程中不能除尽的杂质元素O、S、P等对钢的危害大，应尽量降低他们的含量。表格1 40CrNiMo钢的化学成分3-4Table1 the chemical composition of 40CrNiMo steel钢号 化学成分（质量分数%）CSiMnCrMoNiPS其他40CrNiMo0.370.440.200.400.500.800.600.900.150.251.251.750.0350.0352.2 C元素的作用40CrNiMo钢中碳的质量分数在0.4%左右。碳含量过低，则不易淬硬，回火后硬度不足，含碳量过高，则韧性不足。碳在钢中可以形成间隙固溶体，起固然强化的作用，强化钢的基体，碳还与其他碳化物形成元素形成碳化物，其弥散均匀的分布在钢的基体中，作为钢的强化相，还可以阻止晶粒长大，一保证钢具有较高的屈服强度和疲劳强度以及良好的塑性和韧性。2.3 主加合金元素Cr、Ni、Si、MnCr、Ni、Si、Mn所起的作用主要是增加合金调质钢的淬透性，这些元素都显著强化铁素体，并在一定含量范围内还能提高钢的韧性。铬还有有二次硬化作用，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；铬促使钢的表面形成钝化膜，提高耐蚀性；Cr还可以阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，提高钢的高温机械性能；同时还阻碍相的再结晶，保持细小的晶粒，也能保持足够高的强度。但是铬也显著提高钢的脆性转变温度并且铬能促进钢的回火脆性。镍（Ni）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。Ni可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；改善钢的加工性和可焊性；镍还可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。Si提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。硅能显著地提高钢的屈服极限和屈强比,含量在0.40%范围内时，改善热裂倾向，含量高时，则易形成柱状晶，增加热裂倾向；会使使钢的焊接性能恶化。锰（Mn）在低含量范围内，对钢具有很大的强化作用，提高强度、硬度和耐磨性,稍稍改善钢的低温韧性。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用；锰可以去除钢中的杂质元素S，对钢的高温瞬时强度有所提高。含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服；当锰的质量分数超过1时，会使钢的焊接性能变坏；锰会使钢的耐锈蚀性能降低。2.4 辅加合金元素Mo钼对铁素体有固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。提高钢的耐热性和高温强度。Mo在合金调质钢中可以细化晶粒，提高回火抗力，并且防止钢在高温回火时发生第二类回火脆性。2.5 杂质元素P、S提高硫可改善钢的切削加工性能，但硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量。在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS的形式存在；单独存在的FeS的熔点只有1190，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。钢在11001200进行轧制时，晶界上的FeS就将熔化，大大地削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。因此对硫应严加控制，一般控制在0.020%0.050%。为了防止因硫导致的脆性，应加入足够的锰，使其形成熔点较高的MnS。磷在钢中固溶强化和冷作硬化作用强，作为合金元素加入低合金结构钢中，能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，最大的害处是偏析严重，增加回火脆性，显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，也即所谓”冷脆”现象。磷对焊接性也有不良影响。磷是有害元素，应严加控制，一般含量不大于0.030%0.040%5。在合金调质钢中，为获得优良的综合机械性能，应尽量降低P、S的含量，以提高合金调质钢的塑性与韧性。合金元素的加入，也有一个由单一元素到复合元素的发展历程。这样反映在淬透性上，从小到大；反映在性能上，则由单一性能到优良的综合机械性能，从而满足不同零件在不同受力状态下的性能需要。调质钢从4040Cr40CrNi40CrNiMo的发展过程，每加入一种合金元素，既起到其本身的特殊作用，又起到元素之间的交互作用，从而使合金化达到改善组织性能的目的。3 40CrNiMo钢的热处理40CrNiMo为合金结构钢，由于具有强度高、高淬透性、综合力学性能好等优点，在工程上有着广泛的应用，并有着相对广阔的市场前景以及应用前景。淬火是热处理的一道重要工艺，通过对工件进行适当的淬火可以大范围提高工件的各方面性能，所以，优化工艺尤为重要。同种材料的各项性能会因热处理方法及其工艺参数的不同而改变，各项性能指标又常常此消彼长。所以选择合适的热处理工艺参数、获得与工件的使用状况和失效方式相适应的最佳综合性能，才有可能制造出高质量的产品6。3.1 预备热处理 调质钢经热加工后，必须经过预备热处理一降低硬度，改善切削加工性能及因锻、轧不适当而造成的晶粒粗大及带状组织，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，为最终热处理做组织准备。对于碳素调质钢和合金元素含量较低的调质钢，预备热处理可以采用正火或退火，而对于40CrNiMo钢这种淬透性较好的钢，正火处理后可能得到马氏体组织，为减小正火产生的应力需再在Ac1以下进行高温回火（见图1）7，使组织转变为粒状珠光体（见图2）8，也可采用完全退火处理。大型工件在调质处理前，还需进行低倍及探伤检查，确保工件内部没有不允许的缺陷（如白点、裂缝等）存在时，才可进行调质处理。3.2 调质热处理调质钢的最终热处理大多数是淬火+高温回火的调质处理。其目的是要获得具有良好综合力学性能的回火索氏体（或回火索氏体+回火屈氏体）组织，因此，必须先经过完全淬火得到马氏体，然后再进行高温回火处理。应当指出，调质处理实在牺牲钢材强度的条件下提高塑性及韧度的工艺，对发挥材料的强度潜能是十分不利的。影响调质处理质量的最重要因素是钢的淬透性，而钢的淬透性又主要取决于溶入奥氏体中合金元素的种类、数量及奥氏体均匀化的程度，所以，淬火加热的保温时间必须能够使足够的碳化物溶入奥氏体中，并均匀化。3.2.1 淬火工艺的确定淬火温度的确定：在淬火加热时，应充分考虑提高钢的淬透性，在不使奥氏体晶粒长大的前提下，选择足够高的加热温度，保温时间必须使碳及合金元素充分固溶于奥氏体中并力求奥氏体均匀化，对于碳钢及低合金钢，一般资料都推荐亚共析钢的淬火加热温度为Ac3+（3050），共析钢和过共析钢的加热温度为Ac1+（3050）。在兼顾变形、淬裂、过热的前提下，调质零件淬火时，为保证其淬透性，充分发挥材料的强度潜力，可恰当地提高其淬火冷却的起始温度。淬火加热速度与保温时间的确定：淬火操作中，一般碳素结构钢和合金结构钢都不需要控制淬火加热速度，但对于大型工件，为避免在加热过程中由于热应力过大造成变形和开裂，往往采用控制升温（阶梯升温）的工艺方法。保温时间与很多因素有关，准确地确定确定加热时间，只能对给定的工件在具体条件下使用试验方法确定，一般的说，在盐浴炉中加热时，低合金钢的保温时间为0.30.5min/mm；在空气电阻炉中加热时，低合金钢的保温时间为1.21.5min/mm；火焰炉加热时间介于二者之间。零件的尺寸越大，装炉量越多，加热时间越长；装炉时零件放置间隔大则加热快；提高炉温可以缩短加热时间，采取高于正常淬火温度50100的快速加热方式，可以减少零件变形。淬火介质的选择：选择合适的冷却介质，以保证工件淬透，又不致引起严重变形和开裂。碳素调质钢采用冷却能力较强的淬火介质（水或水溶液）；对于形状较复杂的薄壁零件，因易产生变形和开裂，应采用双液淬火；合金调质钢可油冷；对于形状简单和截面尺寸较大的零件，可采用双液淬火。3.2.2 回火工艺的确定回火温度的确定：调质钢的回火温度应根据零件的硬度要求选择。一般在500650回火，一获得强度与韧度适中的回火索氏体。回火温度高时，回火零件的韧度也高，但强度和硬度会相应降低。确定回火温度时，应考虑钢材的成分波动、淬火后的硬度、零件的尺寸等因素。回火时间及冷却介质的确定：40CrNiMo钢等合金调质钢有第二类回火脆性，其高温回火时间不宜过长，并且回火后应快冷，常采用油冷或水冷。对于碳钢及含有W、Mo的钢，回火后可以空冷。回火时间与设备类型、回火温度、零件尺寸及装炉量等因素有关，根据生产工艺实践确定。在有强制空气循环装置的电炉中回火时，回火保温系数为1.52.0min/mm小件去上限，大件取下限9。如图3所示，采用低温入炉，控制升温速度进行分段预热。在铁素体奥氏体相变温度范围内，则应尽可能快的加热。在580620保温1次（预热），时间为2h，在840860保温90min，然后油冷。调质和正火曲线的区别在于淬火冷却介质选择不同，调质淬火冷却介质为油，因为合金元素的影响，使其具有良好的淬透性，油淬使其冷却速度减小，从而减小形变应力，防止开裂。同时也能达到工件使用中要求的强度、硬度和耐磨性的较好配合，处理后的组织为索氏体硬度230260HB10。表2 40CrNiMo钢的热处理工艺及力学性能Table2 Heat treatment process and mechanical properties of 40CrNiMo steel钢号试样毛坯尺寸淬火回火硬度HBSb（MPa）s（MPa）（%）（%）k（J/cm2）40CrNiMo25mm850油淬600水或油冷26910008501265100这种组织状态具有以下特点：强化相为弥散分布的粒状碳化物，可以保证有较高塑性变形抗力和疲劳强度；组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性；作为基体的铁素体是从淬火马氏体转变而成的，其晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减少。3.3 渗氮处理为了获得变形小、尺寸稳定性高而且耐磨性好的零件（如各种精密机床上的齿轮、主轴、丝杠等），40CrNiMo钢在调质处理后还常进行渗氮处理，以提高工件的使用寿命，如图611所示No.3表示没有进行渗氮处理的疲劳寿命曲线，No.4表示进行渗氮处理后的疲劳寿命曲线。合金结构钢渗氮前的调质处理时，淬火后的回火温度，可以根据心部的性能要求及氮化工艺来确定。随着渗氮温度的提高，渗层深度增加，而硬度却显著下降。渗氮层的硬度取决于氮化物的类型和弥散度，氮化物的尺寸越小渗氮层硬度越高。480530渗氮时，能保证较大的弥散度，故硬度很高。为了使组织稳定，一般回火温度应比渗氮温度高1020。调质后应不允许有块状游离铁素体的存在。40CrNiMo钢的渗氮热处理工艺为：85010油淬后56020回火,然后5005进行渗氮处理，保温25h50h，可以获得渗氮层的深度为0.30mm0.50mm,表面硬度平均为613HV的产品12。3.4 热处理过程中的注意事项零件加热时产生的氧化、脱碳，将影响其表面性能。所以，加热时应予以保护。在箱式炉中加热时可以在炉内放些木炭，或在零件上浸涂一薄层硼砂，用盐浴炉加热时应很好的脱氧。若零件截面变化大，有尖锐棱角处应尽量增大圆弧半径。工艺参数选用下限，以防淬裂。调质件淬火不应成堆放入冷却槽内，防止冷却不均匀和产生过大的变形。淬火后应及时回火，间隔时间不应过长，易开裂工件更要及时回火。高温回火装炉时，炉温不得超过工艺要求的温度；出炉后零件不得堆放在潮湿的地面上冷却。4 结论（1）40CrNiMo钢加入合金元素时应充分考虑钢的淬透性，在保证淬透性的前提下应通过调整各种合金元素的配比来提高回火抗力并减轻回火脆性倾向，并防止晶粒粗大。（2）在冶炼中应改善冶金工艺以尽量减少40CrNiMo钢中杂质元素P、S的含量，以保证钢能具有优良热处理工艺性能并在热处理后能获得优良的综合机械性能，以满足各种零件的使用要求。（3）40CrNiMo钢在调质处理前一般需要在850时进行正火处理，以消除应力并改善组织，调质处理一般为850油淬+60