40Cr合金鋼國內外標準技術指標的對比分析

張 鵬，種法國，袁淑君，趙新華

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 濟南271105）

1 前 言

40Cr 合金鋼是我國用量最大的調質合金鋼之一，被廣泛用于制造連桿、軸類、螺栓和各類重要零部件［1-2］。2020版GB/T 24595在對國內曲軸鋼市場需求和先進鋼企研發、生產、檢驗實績進行充分調研基礎上，對40Cr 牌號的微合金元素含量、氣體元素含量、交貨硬度值、淬透性、非金屬夾雜物、微觀組織檢驗、無損檢測等主要技術內容進行了修改和增補。目前，國內涉及到40Cr 牌號的標準包括GB/T 24595—2020、GB/T 3077—2015 等 5 項。為了研究40Cr 合金鋼各標準中該牌號的化學成分設計、性能指標、微觀組織檢驗等的差別，對比研究了GB/T 24595—2020 中40Cr 及其等同牌號的國內外標準情況，為該產品的生產和下游用戶使用提供依據。

2 我國40Cr合金鋼標準概況

目前，我國40Cr 合金鋼相關國家標準共5 項，詳細信息見表1。根據適用范圍可分為3 類:第一類包括GB/T 3077—2015《合金結構鋼》、GB/T 5216—2014《保淬透性結構鋼》和GB/T 24595—2020《汽車調質曲軸用熱軋鋼棒》三項。GB/T 24595—2020采用了 GB/T 3077—2015 和 GB/T 5216—2014 中力學及工藝性能、低倍組織、非金屬夾雜物、表面缺陷清理等的較高級別技術指標參數，進一步提高了奧氏體晶粒度、窄淬透性帶的要求，新增了氫元素含量、壓縮比、熱軋態硬度、非金屬夾雜物總量、帶狀組織和超聲檢測的規定，其技術內容和指標參數設定較好的滿足了用戶需求，體現了我國40Cr 熱軋鋼棒產品的研發現狀及未來發展趨勢；第二類為GB/T 11251—2009《合金結構鋼熱軋厚鋼板》適用于熱處理狀態合金結構鋼板，化學成分引用基礎標準GB/T 3077；第三類為GB/T 17107—1997《鍛件用結構鋼牌號和力學性能》適用于調質處理后鍛件，化學成分引用基礎標準GB/T 3077。從我國40Cr合金鋼市場情況來看，以熱軋態鋼棒為主，因此，本文將重點研究GB/T 24595—2020 與國外標準的技術指標對比情況。

表1 我國40Cr合金鋼相關國家標準明細

3 40Cr合金鋼國內外標準對比

經檢索，40Cr合金鋼相關的國外先進標準主要有 4 項:國際標準 ISO 683—2:2018、美標 ASTM A29/A29M—2016、日標 JIS G4053—2016 和俄標GOST 4543—2016。ISO 683—2:2018和GOST 4543—2016 對合金鋼的化學成分、尺寸、外形、微觀組織、力學及工藝性能、表面質量、檢驗規則等進行了詳細規定。JIS G4053—2016 以 ISO 683—2 為基礎，技術內容略有調整，主要規定了壓縮比、化學成分、尺寸偏差、表面缺陷清除等。ASTM A29/A29M—2016主要規定了化學成分、奧氏體晶粒度、尺寸、外形及允許偏差、檢驗規則、產品標識等。表2 所列為40Cr合金鋼相關國內外表示及牌號。

表2 國內外40Cr合金鋼相關標準明細

3.1 化學成分

表3 所列為40Cr 合金鋼等同牌號國內外標準中對化學成分的規定:各國標準均規定了C、Si、Mn、Cr 和Cu 元素含量，但含量范圍和限值存在差異。GB/T 24595—2020 中Cu元素含量上限值明顯低于其他標準，ISO 683—2:2018 中Si 元素含量范圍較其他標準寬松，ASTM A29/A29M—2016 中Cr元素含量明顯低于其他標準；GB/T 24595—2020和ASTM A29/A29M—2016 規定了Mo 元素含量上限值，但ASTM A29/A29M—2016 中指標更低；GB/T 24595—2020、ASTM A29/A29M—2016 和JIS G4053—2016 規定了Ni 元素含量上限值，但GB/T 24595—2020 的規定高于另外兩個標準；GB/T 24595—2020 規定了氫元素和氧元素含量上限值；GOST 4543—2016規定了氮元素含量上限值。具體如下:1）GB/T 24595—2020 化學元素含量規定全面，P 含量要求較嚴格，S 和Cu 含量上限低于國外標準，明確規定了Mo、Ni、［O］和［H］元素含量上限；2）ISO 683—2:2018 未對 Mo、Ni 和氣體元素含量作出規定，Si 元素含量范圍設置較大，Cu 元素含量上限值設定高；3）JIS G4053—2016 未對 Mo 和氣體元素含量作出規定；4）GOST 4543—2016 按照合金鋼分級對P、S和Cu元素含量進行了分別規定，表中數值為低級別鋼中含量要求，未規定Mo 和Ni 元素含量要求，未規定［N］和［O］元素含量要求，但是規定了［N］應≤0.008%；5）ASTM A29/A29M—2016 規定P、S元素含量上限較高，Cr元素含量的上下限顯著低于其他標準，未規定氣體元素含量要求。

表3 化學成分對比 %

3.2 奧氏體晶粒度

鋼的晶粒度對鋼的力學性能、工藝性能和熱處理行為有著重要的影響，細晶粒鋼具有較高的強度、沖擊韌性、塑性以及良好的加工性［3］。表4為各國標準中對40Cr 合金鋼棒奧氏體晶粒度的規定，可見GB/T 24595—2020的規定高于國外標準要求。

表4 奧氏體晶粒度對比

3.3 交貨硬度

鋼的交貨硬度直接影響后續機加工的難易程度，因此需要對鋼的交貨硬度加以限制。GB/T 24595—2020 規定了40Cr 合金鋼棒熱軋態硬度上限值，GOST 4543—2016 規定了鋼棒退火態的硬度值，ISO 683—2:2018 規定了+A（軟化退火）、+S（處理以提高可切割性）和淬火后的表面硬度值，JIS G4053—2016 和 ASTM A29/A29M—2016 未對鋼棒交貨硬度作出規定。1）GB/T 24595—2020:40Cr鋼棒熱軋態交貨硬度應≯HBW 300；2）ISO 683—2:2018 按照EN ISO 6506—1 測量硬度，+A（軟化退火）狀態下硬度應≯HBW 241，+S（處理以提高可切割性）狀態下硬度應≯HBW 255，火焰淬火或感應淬火后鋼的表面硬度應≮HRC 53；3）GOST 4543—2016硬度檢測方法執行GOST 9012—59標準，規定退火狀態合金鋼棒的硬度應≯HBW 207。

3.4 力學及工藝性能

調質狀態下合金鋼棒的力學和工藝性能采用屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功來表征。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018對合金鋼棒的力學和工藝性能指標進行了規定。但是，ISO 683—2:2018的熱處理制度、取樣方法顯著區別于GB/T 24595—2020 和GOST 4543—2016，其技術指標無可比性。JIS G4053—2016 中規定合金鋼的力學和工藝性能由供需雙方協商確定，ASTM A29/A29M—2016 規定了合金鋼棒的力學和工藝性能檢測方法，但是未規定指標參數數值。各國標準對合金鋼棒力學和工藝性能的規定見表5。

表5 力學及工藝性能對比

3.5 淬透性

淬透性是鋼的重要特性，是鋼淬火時獲得馬氏體的能力，淬透性的好壞直接影響淬火后鋼整個截面的綜合力學性能［4-5］。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018對合金鋼棒的端淬性能進行規定，JIS G4053—2016中規定合金鋼的淬透性由供需雙方協商確定，ASTM A29/A29M—2016未對鋼的淬透性作出規定。各國標準對合金鋼棒淬透性的規定見表6，GB/T 24595—2020的淬透性指標范圍更窄，有利于熱處理變形及質量穩定性控制［6］。

表6 淬透性指標對比

4 結 論

4.1 2020 版 GB/T 24595 中對 40Cr 牌號的化學成分、氣體元素含量、交貨硬度值、淬透性、非金屬夾雜物、微觀組織檢驗、無損檢測等主要技術內容進行了修改和增補，技術指標整體采用或者高于國內現行國家標準。

4.2 2020 版 GB/T 24595 與 ISO 683—2:2018、ASTM A29/A29M—2016、JIS G4053—2016 和GOST 4543—2016 相比，具有以下特點:化學元素規定全面，部分指標嚴于國外標準，規定了［O］和［H］元素含量要求，有利于提高產品內部質量、綜合力學性能、機加工性能、使用壽命等［7-9］；奧氏體晶粒度的要求高于國外標準，有利于綜合力學性能提高、窄淬透性帶控制等；規定了合金鋼棒的熱軋態交貨硬度，有利于產品檢驗和質量管控；強度性能指標與GOST 4543—2016 一致，直徑80 mm 以下鋼棒的斷后伸長率略低于GOST 4543—2016，直徑80 mm 以上鋼棒的斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收功的要求均高于GOST 4543—2016；淬透性的技術指標要求高于國外標準，有利于熱處理變形及質量穩定性控制。