40CrNi2Mo鍛件材料試驗

文/彭彩霞，胡運寶，王旭穎·太原重工股份有限公司

牛玉溫，王志軍·太原重工股份有限公司鑄鍛件分公司

40CrNi2Mo是一種Cr-Ni-Mo系合金鋼，它不僅具有較高的強度，同時還有優異的塑性及韌性，在重要的機械零部件上有較多的應用。現有文獻對取樣位置為距熱處理表面大于50mm的研究參考數據不多。本文以40CrNi2Mo試驗件為研究對象，通過設計特定鍛造、熱處理工藝，對40CrNi2Mo試驗件進行了鍛造及熱處理，在對其UT檢測的同時，對其幾何心部進行了性能檢測，對試驗結果進行了分析，以期為此類合金鋼的產品設計及使用提供一定的試驗數據和參考。

試驗材料選取、工藝設計

試驗原材料的選取及方案設計

用鋼錠鍛制粗車后尺寸為φ720mm×1000mm的試驗件，以滿足鍛件幾何中心距所有熱處理表面大于300mm的要求。其中試驗件調質后粗加工及取樣圖如圖1所示。

圖1 試驗件調質后粗加工及取樣圖

試驗件制造生產工藝路線:鋼錠冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工→UT探傷及尺寸檢驗→性能熱處理→車探傷面→UT檢測→取樣→性能檢測。性能檢測先測端部(L1S,L1C,R1)性能，再測心部R2區性能。材料成分按表1要求控制。

表1 40CrNi2Mo試驗件化學成分控制 (Wt.%)

鍛造方案

本試驗件在鋼錠冒口端下料，鍛造成形為圖2所示的試驗件毛坯。試驗件鍛件重3678kg，鍛造溫度范圍在850～1200℃之間。同時，要保證底部冒口有足夠的切除量。鍛造過程采用一鐓一拔成形，鍛造比不小于3(實際值為4.1)，鋼錠利用率為73%左右。

圖2 鍛件示意圖

熱處理工藝設計

由于鍛件截面大，材料本身又含有較多的Cr、Ni等裂紋傾向性較大的合金元素，試驗件做了鍛后處理以改善顯微組織，促進鍛件組織均勻化。

40CrNi2Mo為合金鋼，為獲得較高強度的同時具有一定的塑性、韌性，采用以油為淬火介質的調質熱處理工藝。依據材料規范及以往的生產經驗，制訂了圖3所示的熱處理工藝曲線。為了使試驗件的調質硬度均勻，調質前對工件按圖1所示尺寸單邊留4mm進行粗車。目視檢測后進行超聲波檢測，確認試驗件滿足外表面無裂紋、折疊和孔洞等缺陷，內部無密集缺陷的要求后再入爐加熱，進行調質處理。

圖3 試驗件性能熱處理工藝曲線

淬火前需開啟油槽攪拌裝置，使其充分循環，將淬火介質(油)溫度控制在45～80℃范圍內。鍛件出爐后需要迅速操作，保證試驗件及時浸入淬火，以避免冷速過慢產生太多的珠光體組織。由于鍛件截面較大，鍛件淬火后組織應力較大，淬火后需及時回火，以降低或消除淬火引起的應力。

試驗結果及分析

UT探傷及結果

調質后性能取樣前對試驗件進行超聲波檢測。檢測時以徑向掃查為主，結合軸向掃查輔助進行。鍛件的表面粗糙度必須優于Ra6.3μm，且不含剝落、油漆和污垢或任何其他可能UT檢測的異物。必須選擇合適并校準合格的超聲波儀器，以準確檢測大于或等于當量直徑φ1.6mm的缺陷，參考φ1.6mm平底孔FBH。在鍛件的所有表面(100%體積)上完成超聲波檢查。為了確保完全覆蓋，每個掃查通道之間應至少有15%的重疊。掃描速度不得超過每秒150mm。超探結果顯示試驗件不存在當量直徑大于φ1.6mm的任何缺陷。

成分結果

鋼錠熔煉分析結果見表2，成品分析數據見表3。由表2可知，熔煉分析結果P、S含量分別為0.01%、0.001%。結合表1可知有害元素P、S含量遠遠低于表1要求，其他化學成分也均符合表1要求。表3成品分析結果顯示，鍛件中心橫截面各處成分偏析不嚴重。

表2 40CrNi2Mo試驗件熔煉分析(Wt.%)

力學性能及金相結果

性能熱處理完成后，對試驗件按照圖1所示各位置取樣并進行性能檢測，性能、硬度及晶粒度檢測結果見表4。

分析與討論

圖1結合表4數據顯示，鍛件熱處理后，鍛件各處的Rm、Rp0.2、A、Z各項性能指標均勻，各位置晶粒度也非常均勻，均達到6.5～7.0級。試驗件心部各性能指標不隨著距表面距離的增大而產生明顯變化，均勻性良好。

結合圖1及表4可知，試驗件端部軸頭縱向L1S、L1C及徑向R1各處力學性能均勻，具有較高的強度并具有一定的塑性和韌性。在距端面距離相同的情況下，端部區徑向R1各項性能指標略優于軸向L1S處。

試驗件中心表層徑向R2S及幾何心部徑向R2C的強度、塑性、韌性指標差異不大。本區與端部試驗結果不同的是：與R2S相比，R2C位置強度略升高，塑性、韌性均略降低，本試驗件采用的材料位于鋼錠冒口端，這一點可能是由C及Cr、Ni、Mo等合金元素的偏析引起的。表3成品分析結果與這一推斷相一致。

表3 40CrNi2Mo試驗件成品分析(Wt.%)

結合表4金相分析結果可知，上述各點晶粒度為6.5～7.0級，鍛件在淬火后得到了細小均勻的晶粒，說明熱處理工藝參數較為合理。由于晶粒細小，一定體積內晶界較多，阻礙位錯運動的阻力增大，導致屈服強度上升，起到了晶界強化的作用。其次，界面阻礙了微裂紋的運動，微裂紋擴展速度受到制約。同時，晶界面積增加，晶界上偏析產生的夾雜物相對減少，晶界結合力提高，塑性增加。晶粒越細，單位體積內晶界越多，參與變形的晶粒數目越多，變形也越均勻，使之在斷裂前發生較大的塑性變形。強度和塑性同時增加，金屬在斷裂前消耗的能量也較大，因而其韌性也提高了。韌性反映了強度和塑性的綜合指標。

表4 試驗件本體各部位力學性能及晶粒度結果

在距外圓距離相同時，徑向R1位置與R2S各項性能指標，數據顯示，兩個位置性能差別不大，但R1位置強度、塑性和韌性均略高于R2S位置。說明淬火時，隨著距端面距離的增大，冷卻能力變差。

表4數據顯示：通過成分控制及鍛造熱處理工藝設計后，試驗件性能均勻并具有均勻細小的晶粒，幾何中心區域R2C性能優異。各位置數據對比發現，端部與中心區的力學性能數值差異非常小，且試驗件心部R2C位置強度高，并具一定的塑性和韌性，綜合力學性能良好，說明鍛造、熱處理效果良好。

R2C位置100倍及500倍微觀組織金相照片分別如圖4、圖5所示。分析顯示，最終熱處理后R2C位置處組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，其中細小均勻的貝氏體組織占比約60%，可見大型鍛件淬火冷卻時，內部蓄熱也在一定程度上制約了鍛件心部的冷卻能力。但成分決定組織，組織決定性能，雖然存在比例相當高的貝氏體相，但由于成分偏析不大，微觀組織細小，晶粒細于6.5級，貝氏體組織對試驗件心部力學性能的削弱并不明顯。

圖4 R2C顯微組織照片(100×)

圖5 R2C顯微組織照片(500×)

結束語

本文采用試驗的方法，探索一種可行性工藝方案，使外形尺寸為φ720mm×1000mm的40CrNi2Mo鋼試驗件通過特定的鍛造、熱處理工藝后，結果表明：試驗件UT無損檢測沒有超過φ1.6mm任何缺陷，驗證了冶煉及鍛造工藝的可行性。試驗件幾何心部的檢測徑向屈服強度Rp0.2達到873MPa，并具有一定的塑性和韌性，為今后40CrNi2Mo材料產品設計及使用提供了參考。