热处理正火工艺 【技术领域】
本发明属于金属热处理范畴，尤其涉及一种适用于40CrH钢及类似合金结构钢小尺寸零件高正火硬度技术要求地热处理正火工艺。
背景技术
40CrH钢及类似合金结构钢广泛应用于齿轮、轴、传动轴、转向节等零件的制造。其作为传动件时表面热处理后的机械服役，对心部的强度性能要求较高。某公司涡轮轴材料为40CrH钢，毛坯尺寸为Φ24×270(mm)，材料技术要求为冷拉后正火，正火硬度为20～26HRC(洛氏硬度)。40CrH的Ac3临界温度(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)为788℃，若按正常的正火工艺加热到Ac3+30～50℃保温后强迫空冷得到的硬度范围为195～220HB(布氏硬度)，换算成洛氏硬度或实际洛氏测量，其硬度均小于20HRC，不符合产品设计要求。若采用等温正火工艺，在理论上，如图1的C曲线(过冷奥氏体等温转变动力学曲线，温度-时间曲线)，零件在奥氏体化后，冷却曲线通过680～550℃之间，可以实现正火硬度20～26HRC。但正火在实际生产中，空气的比热容为1.3KJ/M3℃，热传导系数为0.024W/M℃，钢铁的比热容约4290KJ/M3℃，热传导系数为50W/M℃，两者差距巨大，要将100Kg钢铁从900℃冷却到650℃，需550℃热空气大约60～80m3/s流速，显然，此工艺参数在目前技术状况下难以控制和实现，并且目前热处理设备制造商不可能制造出生产实用型的等温正火设备。所以将40CrH直接正火至20～26HRC硬度要求实际生产中无法操作。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是通过对40CrH及类似合金结构钢小尺寸零件采用热处理正火的复合热处理工艺，实现将正火硬度控制到20～26HRC范围的正火硬度要求。
本发明主要采用以下技术方案：
一种热处理正火工艺，所述工艺包括：
第一步，通过正火使材料硬度大于等于26HRC，材料组织中出现珠光体和上贝氏体；其中将材料加热到第一温度，所述第一温度至少大于材料的临界温度Ac3以上50℃；
第二步，通过回火分解正火组织中的部分珠光体和上贝氏体，使材料硬度调至20～26HRC内，其中回火温度为第二温度；
第三步，回火出炉后通过水冷冷却。
优选地，所述第一步正火中进行强迫风冷。
进一步地，所述强迫风冷为快速冷却，冷却时间在2分钟内，材料出冷却后表面温度低于200℃。
优选地，所述第一温度范围为900～920℃。
优选地，所述第二步中，第二温度根据第一步正火后的硬度按下表选取：
正火后硬度(HRC) 回火温度范围(℃) 26～30 570～590 31～33 590～610 ≥34 620～630
进一步地，所述第三步中冷却为快速冷却，冷却时间为1分钟，材料出水温度为250℃。
本发明以40CrH钢的过冷奥氏体等温转变动力学曲线，温度-时间曲线(见图1)及临界温度Ac3＝788℃，Ar1＝665℃为理论依据，采用较高温度900～920℃加热保温。加热温度提高，合金元素更多溶入奥氏体中，奥氏体成分愈加均匀，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，以适当的风冷速度实现过冷奥氏体转变。当增大强迫风冷速度时，材料硬度达到了26～35HRC，离散性大，并且组织中出现了上贝氏体。上贝氏体具有明显的方向性，硬度较高。在机加工过程中，因其和珠光体的硬度差异，形成被加工性能的不同，所以在后道加工几何尺寸精度的离散性很大，造成搓齿加工累积误差不合格。同时，因上贝氏体和珠光体体积密度不同，感应淬火加热时相变温度不一致，相变时体积热膨涨不同，导致中频感应淬火裂纹倾向性增加。
针对正火后不同的硬度范围(即不同上贝氏体含量)，制定对应的不同的去应力回火温度，分解不平衡相上贝氏体和高密度珠光体，将硬度调整至20～26HRC。回火出炉后零件采用快速水冷，避免了回火脆性。
【附图说明】
图1为40CrH的冷却特性C曲线。
【具体实施方式】
本发明通过以下步骤实施：
1.采用网带式正火炉在900～920℃的范围内加热，保温60～80分钟；
2.冷却履带上采用三个特制风机强迫风冷，单个风机的送风量为4000～6000m3/h；
3.调整冷却履带走速，使材料出水冷却后表面温度低于200℃，冷却时间控制在2分钟内；
4.用洛氏硬度检验正火硬度，根据正火硬度选择步骤5中的回火工艺；
5.回火温度根据正火硬度从下表中选择，保温时间60～90分钟；
正火后硬度(HRC) 回火温度范围(℃) 26～30 570～590
正火后硬度(HRC) 回火温度范围(℃) 31～33 590～610 ≥34 620～640
6.回火出炉后，材料快速水冷至250℃出水，冷却时间大约为1分钟；
7.用洛氏硬度计检验硬度。
本发明所涉及的正火+去应力回火的复合工艺与一般正火工艺相比，正火温度从860℃提高至910℃，并增加了回火及回火后的快速水冷道序。实际生产中若按正常的正火工艺将40CrH及类似合金结构钢直接正火至硬度20～26HRC是无法实现的(曾用连续式推盘正火炉、连续网带正火炉，真空气淬炉、实验室小箱室炉作过多次正火实验，无法将正火硬度稳定的控制在20～26HRC范围内)。
众所周知，热处理正火定义为，将金属加热到金属材料的Ac3+30～50℃后在空气中冷却。因为空气的比热容和热传导系数与钢铁相差甚远。在实际生产中，不能在C曲线要求时间段和温度段中将零件的温度从900℃快速冷到650℃，并在650～550℃温度里保持相变转变时间，所以得不到零件正火硬度为20～26HRC的范围。主要原因是40CrH是一种淬透性比较好的低合金钢，表面冷速快，出现上贝氏体等非平衡组织，中间出现上贝氏体索氏+体珠光体混合组织，组织上的不均匀导致硬度上离散性大，造成搓齿不合格和中频感应淬火裂纹倾向。
本发明所采用的热处理正火工艺提高了正火温度，提高了奥氏体合金元化程度，增加了过冷奥氏体的稳定性，推迟了过冷奥氏体向珠光体及上贝氏体的转变，得到细片状珠光体(索氏体)+铁素体+上贝氏体相混合的正火组织。材料正火后硬度稳定在26～35HRC。经过工艺试验验证，根据正火后的硬度对回火温度作了分段处理，不同的正火后硬度按不同的回火温度进行回火。经过回火，分解了组织中的不平衡相上贝氏体，等轴化铁素体，可以将硬度调整至20～26HRC范围内，为后期的机加工和感应热处理提供了良好的组织和硬度，有效地避免了因不平衡组织快速加热产生的裂纹；提高材料的综合机械性能。快速水冷则抑止了第二相的析出，防止了回火脆性。
需要指出的是，目前的专业的等温正火炉，等温正火工艺，即使对等温前的冷速、等温温度、装炉量、热交换量、冷却风量及介质温度等参数进行精确控制，也不能批量化生产40CrH及类似合金结构钢零件正火硬度至20～26HRC范围内。
与目前等温正火技术相比，本发明的优势是将40CrH及类似合金结构钢零件，通过上述工艺，实现将正火硬度控制到20～26HRC范围，并能消除不平衡组织，实现材料稳定的强度、韧性机械性能组合。