4130閥體材料質量影響因素的探究

宋 倩 游和清 吳飛虎

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

4130材料(對應的中國牌號為30CrMo)屬中碳Cr-Mo系調質合金結構鋼，其中的Cr元素可提高材料的淬透性，使調質后的索氏體組織得到強化；高含量的Mo元素可防止第二類回火脆性。且高強、高硬、高韌，具有良好的焊接性、淬透性、抗疲勞性能等特點，因而在軌道交通領域中被廣泛應用[1]。下文就4130閥體材料鍛造成型及熱處理過程中的質量影響因素進行探討。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

閥體簡圖如圖1所示，最大壁厚為92 mm，質量為288.7 kg。材料為4130(30CrMo)，化學成分如表1所示，符合4130閥體材料所要求的化學成分范圍。本試驗取兩組試塊，規格均為100 mm×100 mm×200 mm，其中1#試塊為圓鋼經線切割成型，2#試塊為圓鋼經鍛造成型(仿閥體成型工藝)。

圖1 閥體零件示意圖

表1 4130閥體材料的化學成分 /%

1.2 熱處理工藝

根據閥體的特點和技術要求，確定其熱處理工藝為正火+調質處理，正火、淬火及回火工藝曲線如圖2所示。將兩組不同成型工藝制成的試塊分別在A、B兩公司執行如圖2所示的熱處理工藝。

1.3 力學性能測試方法

檢測試樣在距表層2.5 cm處沿著鍛造方向(即200 mm方向)取樣，分別按GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試樣方法、GB/T 229—2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法以及ASTM E10—2015金屬材料布氏硬度的標準試驗方法進行試驗。試棒最終熱處理后的機械性能應符合75K 4130合金鋼鍛圓技術規范，如表2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 原材料評定

原材料是鍛件成型質量的重要保障，如果原材料本身存在缺陷或是化學成分及夾雜物等控制不當，將直接影響鍛件成形過程，嚴重時會導致產品大批量報廢。因此，對原材料的純凈度及有害元素等的控制是至關重要的[2-3]。表3、表4分別為4130試塊熱處理前的缺陷類型級別及非金屬夾雜物分析結果。由表可見，鋼錠的低倍組織及非金屬夾雜物級別均符合ASTM E381及ASTM E45標準，結合表1可證明該材料符合閥體原材料標準，材料本身不會對后續試驗結果產生影響。

圖2 4130閥體材料的熱處理工藝

表2 4130閥體材料的力學性能要求

表3 4130材料的缺陷級別

表4 4130材料的非金屬夾雜物級別

2.2 金相組織分析

取同一公司熱處理的兩組試樣， 將其正火、調質后的晶粒度級別及金相組織進行分析，結果顯示：1#試樣的晶粒度級別為8級，基體組織為貝氏體+索氏體；2#試樣的晶粒度級別為8.5級，基體組織同樣為貝氏體+索氏體。說明試塊成型工藝鍛造與否對4130閥體材料基體組織類型無明顯影響，但對晶粒具有一定的細化作用。

2.3 力學性能分析

兩組試樣經A、B兩公司熱處理后，其力學性能結果如表5所示。由表可知，4組試樣的機械性能及硬度均滿足75K 4130合金鋼鍛圓技術規范要求。為了便于比較將表5的數據作成如圖3所示的柱狀圖。

2.3.1鍛造對4130材料熱處理后質量的影響

由表5及圖3可見，4130閥體材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率、斷面收縮率、低溫沖擊功及硬度均滿足標準要求。由同一生產單位進行熱處理后，經鍛造后的試塊與未鍛造成型的試塊相比其延伸率及斷面收縮率相近，而抗拉強度及屈服強度有所提高。A、B公司熱處理后的性能分析可見，鍛壓工藝可適當提高強度。

表5 試樣經熱處理后的力學性能測試結果

圖3 試樣經熱處理后的力學性能比較情況

2.3.2熱處理操作對4130材料質量的影響

比較A、B公司熱處理性能，雖然其抗拉強度、屈服強度、延伸率、斷面收縮率及低溫沖擊功均滿足標準要求，但是A公司較B公司熱處理可以獲得更好的綜合性能。

對于熱處理后所獲性能的影響因素主要包括以下幾方面：

(1)加熱。加熱爐的爐溫均勻性、氣密性，試塊在爐內擺放方式或位置等均會影響熱處理質量。

(2)冷卻。淬火液的狀態，如淬火液是否老化、起始溫度、淬火液體積、攪拌能力等均會影響熱處理質量。

(3)人為因素。在執行工藝中，人的因素同樣是關鍵，如執行工藝嚴格與否等均會影響熱處理質量。

由此可見，生產中的各種因素都可能影響4130閥體材料的質量，在每一環節都需嚴格把控。

3 結論

(1)該材料符合4130閥體原材料標準，材料本身不會對后續試驗結果產生影響。

(2)鍛造對4130材料基體組織無明顯影響，但對晶粒具有一定的細化作用。

(3)經鍛造成型后，其性能可以在不改變塑性的同時提高其抗拉強度及屈服強度。

(4)熱處理設備、淬火液狀態以及人工因素均會影響熱處理質量。