亞溫淬火工藝對(duì)42CrMo4鋼沖擊韌度的影響

鄭馨秋，姚建柱

42CrMo4為中碳低合金鋼，其具有較低的制造成本和較高的力學(xué)性能，因此在工業(yè)制造領(lǐng)域被廣泛使用。該鋼種屬高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌度良好，適宜制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大中型塑料模具，及用于制造要求較35CrMo鋼強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機(jī)車牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、壓力容器齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于2000m以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具，并且可以用于折彎?rùn)C(jī)的模具。

我公司生產(chǎn)的某大型設(shè)備卷筒軸（見圖1）采用德國(guó)42CrMo4鋼制造，因工件尺寸較大（φ550mm×4000mm）、性能指標(biāo)高，油冷淬火無法滿足要求，采用更為激烈的冷卻方式（如水冷）時(shí)，冷卻時(shí)間不易控制，淬裂傾向較大。因此，如何在不降低工件強(qiáng)度的同時(shí)提高工件沖擊韌度，成為制訂熱處理工藝過程中考慮的重要問題。中碳鋼臨界區(qū)淬火，由于能得到極細(xì)的奧氏體晶粒，并使磷等有害雜質(zhì)集中于少量游離分散的鐵素體晶粒中，因此可以提高鋼的缺口韌性，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，減小回火脆性。本文對(duì)這種工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)踐和研究。

1. 42CrMo4鋼的基本參數(shù)

42CrMo4材料的化學(xué)成分見表1，其臨界點(diǎn)Ac1為730℃，Ac3為800℃，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms為310℃。力學(xué)性能要求見表2。

2. 熱處理工藝

（1）正常調(diào)質(zhì)工藝曲線見圖2，調(diào)質(zhì)處理后的工件力學(xué)性能見表3。

可以看出，經(jīng)調(diào)質(zhì)后工件沖擊性能無法滿足圖樣要求，需對(duì)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，加快冷卻速度將增大工件的淬裂危險(xiǎn)，考慮到工件強(qiáng)度已達(dá)到技術(shù)要求下限，也無法通過提高回火溫度來提高沖擊韌度。工件已進(jìn)行調(diào)質(zhì)，故采用亞溫淬火工藝對(duì)工件進(jìn)行二次熱處理。

（2）亞溫淬火工藝曲線見圖3，亞溫淬火處理后的工件力學(xué)性能見表4。

3. 分析與討論

42CrMo4為亞共析鋼，亞共析鋼的正常淬火工藝是加熱到Ac3+30～50℃的完全淬火，亞共析鋼一般選擇在Ac3以上淬火加熱，但為了不致引起奧氏體晶粒的粗化以及盡可能減小淬火缺陷，溫度不能選得過高，故原則上一般定為Ac3+20～50℃（在實(shí)際生產(chǎn)中，綜合考慮其他因素，往往選為Ac3+40～70℃）。

近來的大量研究工作證明，如果在正常的淬火與回火之間進(jìn)行一次（或數(shù)次）加熱溫度在Ac1～Ac3之間的亞溫淬火，則能進(jìn)一步提高鋼的韌性，降低其脆性轉(zhuǎn)化溫度以及高溫回火脆性，因而是一種有效的韌化措施。亞溫淬火可以單獨(dú)進(jìn)行或完全淬火后進(jìn)行，也可在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行。如在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行，亞溫淬火、回火后可有效地提高鋼的韌性。結(jié)果表明該工件在一次調(diào)質(zhì)處理基礎(chǔ)上采用亞溫淬火重新熱處理，其沖擊韌度得到了提高。

金相觀察表明，亞溫淬火后得到了少量游離鐵素體+馬氏體+彌散分布的細(xì)小殘留奧氏體，因此我們認(rèn)為對(duì)亞溫淬火提高材料韌性的機(jī)理為：磷等有害雜質(zhì)集中在鐵素體晶粒內(nèi)（不在原奧氏體晶界上），殘留奧氏體使裂紋擴(kuò)展變得困難（因受塑性變形或產(chǎn)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變使應(yīng)力松弛），均會(huì)使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。由此可知，亞溫淬火后組織組成的數(shù)量、分布、大小及形態(tài)等必將對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響；而組織特性又決定于處理時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)的方式。如鋼先在Ac3點(diǎn)上加熱獲得單相奧氏體后，降溫進(jìn)入臨界區(qū)，則鐵素體沿奧氏體晶界析出，或在奧氏體內(nèi)成堆析出。若從低溫加熱升溫進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，則鐵素體是未溶解完全的，呈細(xì)小而均勻的分布，對(duì)提高韌性有良好的作用，所以亞溫淬火時(shí)以升溫進(jìn)入臨界區(qū)的效果較好。

至于應(yīng)在Ac1與Ac3之間選擇多高的淬火溫度，尚無統(tǒng)一的見解。為了保證足夠的強(qiáng)度并使殘余鐵素體均勻而細(xì)小，亞溫淬火的溫度最好選在比Ac3低不多的溫度。正如已有的試驗(yàn)證明，過低的淬火溫度（臨近Ac1）反而會(huì)使鋼的沖擊韌度降低。

4. 結(jié)語

調(diào)質(zhì)處理后亞溫淬火可提高42CrMo4鋼的沖擊韌度。亞溫淬 火能改善亞共析鋼的韌性，減小回火脆性傾向的基本原因可能是：獲得了適量的（均勻細(xì)小）鐵素體；能引起脆化的雜質(zhì)原子（P、Sb、Si）等在殘余鐵素體中富集，因而減少了在奧氏體晶界處偏聚的機(jī)會(huì)；所得奧氏體的晶粒比通常完全淬火則更為細(xì)小且形態(tài)也往往有所變化（可由粒狀變?yōu)獒槧睿?/p>

圖1 卷筒軸

圖 2

圖 3

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（EN 10083/3-2006） （%）

表2 力學(xué)性能要求

表3 調(diào)質(zhì)后工件的力學(xué)性能

表4 亞溫淬火后工件的力學(xué)性能