淬火與回火工藝對(duì)42CrMo鋼顯微組織和奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律的影響

李鴻娟，向成功，吳 瓊，王正才

(1. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800； 2. 瓦房店軸承集團(tuán)有限公司，遼寧 瓦房店 116300；3. 湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000)

42CrMo鋼因具有高強(qiáng)度、高韌性、淬透性較好和無(wú)明顯回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊能力且低溫沖擊性能良好，成為制造業(yè)關(guān)鍵零部件的主選材料[1-2]。熱處理工藝是實(shí)現(xiàn)42CrMo鋼優(yōu)良性能的關(guān)鍵，也是研究的重點(diǎn)。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?2CrMo鋼的使用性能提出了不同的要求，隨著材料使用極端化、長(zhǎng)久性等要求的提高，對(duì)其性能提出了更高的要求[3-7]，為了系統(tǒng)全面地研究熱處理工藝對(duì)42CrMo鋼組織的影響，本文研究了淬火和回火工藝參數(shù)對(duì)42CrMo鋼顯微組織的影響，分析其奧氏體晶粒的長(zhǎng)大規(guī)律[8-11]，為實(shí)際生產(chǎn)42CrMo鋼的熱處理工藝制定提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為經(jīng)鑄造、熱軋后的42CrMo鋼棒材，其化學(xué)成分如表1 所示。沿棒材軋制方向制取15 mm×15 mm×15 mm的正方體小塊試樣，根據(jù)試驗(yàn)鋼的Ac3為800 ℃，設(shè)定不同的淬火和回火工藝，將試樣置入加熱爐分別進(jìn)行不同工藝參數(shù)的熱處理：①將試樣分別加熱到860、880、900、920和940 ℃，保溫30 min 后油冷；②將試樣加熱到860 ℃，分別保溫30、60和120 min后油冷；③將試樣加熱至880 ℃，保溫30 min后油冷，再分別進(jìn)行200、400和600 ℃的回火處理，保溫30 min，空冷。具體工藝方案如圖1 所示。

表1 試驗(yàn)用42CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 42CrMo鋼的熱處理工藝示意圖(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3Fig.1 Schematic diagram of heat treatment processes for 42CrMo steel(a) process 1； (b) process 2； (c) process 3

將熱處理后的試樣磨拋后分別用4%的硝酸酒精、飽和苦味酸溶液進(jìn)行腐蝕，采用Leica DMI 8C型倒置光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織和奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行觀察。根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》，采用截點(diǎn)法對(duì)奧氏體的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量時(shí)任取10個(gè)視場(chǎng)，每個(gè)視場(chǎng)沿縱向、橫向各測(cè)量1次，最終取所得奧氏體晶粒尺寸測(cè)量值的平均值，然后根據(jù)所得奧氏體晶粒尺寸數(shù)據(jù)，利用Beck公式進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，得出不同溫度下的奧氏體晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火溫度對(duì)顯微組織的影響

圖2為42CrMo鋼在不同淬火溫度下的顯微組織。從圖2可以看出，原始軋制態(tài)42CrMo鋼的顯微組織主要為鐵素體(F)+珠光體(P)。當(dāng)42CrMo鋼經(jīng)860 ℃淬火時(shí)的顯微組織主要為板條馬氏體+片狀碳化物和殘留奧氏體；在880 ℃淬火時(shí)的顯微組織仍以板條馬氏體為主，且有很多彌散分布的粒狀碳化物，在馬氏體板條之間還夾雜著殘留奧氏體。隨著淬火溫度的繼續(xù)升高，板條馬氏體更加密集，粒狀碳化物的數(shù)量減少，同時(shí)仍然存在少量殘留奧氏體。這主要由于隨著淬火溫度的升高，碳的擴(kuò)散愈加均勻，使得顯微組織更加均勻地向板條馬氏體轉(zhuǎn)化。

2.2 淬火保溫時(shí)間對(duì)顯微組織的影響

圖3為42CrMo鋼經(jīng)860 ℃保溫不同時(shí)間淬火后的顯微組織。從圖3可以看出，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變得越完全；當(dāng)保溫時(shí)間為30 min時(shí)，42CrMo鋼的顯微組織基本由板條馬氏體組成，但仍有少量未溶解的滲碳體存在，說(shuō)明此時(shí)奧氏體化基本完全。保溫時(shí)間延長(zhǎng)到60 min時(shí)，板條馬氏體仍保持較細(xì)小的形態(tài)，滲碳體幾乎溶解完全。繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間到120 min時(shí)，板條馬氏體組織明顯變長(zhǎng)，逐漸變得粗大。

圖2 不同淬火溫度下42CrMo鋼的顯微組織(a)軋制態(tài)；(b)860 ℃；(c)880 ℃；(d)900 ℃；(e)920 ℃；(f)940 ℃Fig.2 Microstructure of the 42CrMo steel after quenching at different temperatures(a) as-rolled; (b) 860 ℃; (c) 880 ℃; (d) 900 ℃; (e) 920 ℃; (f) 940 ℃

圖4 42CrMo鋼經(jīng)880 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 42CrMo steel after quenching at 880 ℃ and tempering at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 400 ℃; (c) 600 ℃

2.3 回火工藝對(duì)顯微組織的影響

圖4為42CrMo鋼經(jīng)880 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織。從圖4可以看出，42CrMo鋼經(jīng)880 ℃淬火和200 ℃回火后的組織由板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，此時(shí)馬氏體中的原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，過(guò)飽和碳開(kāi)始逐步以碳化物的形式析出，因此仍存在條片狀碳化物。當(dāng)回火溫度升高到400 ℃時(shí)，42CrMo鋼的主要顯微組織為回火馬氏體+回火索氏體，但殘留奧氏體已經(jīng)基本溶解，從過(guò)飽和固溶體中析出的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的滲碳體。當(dāng)回火溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，組織已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，細(xì)粒狀滲碳體均勻分布在基體上。

2.4 奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律

圖5為不同淬火溫度下42CrMo鋼的奧氏體晶粒形貌。由圖5可以看出，隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒的尺寸逐漸增加。當(dāng)淬火溫度為860 ℃時(shí)，42CrMo鋼的奧氏體晶粒尺寸較小，約為16.356 μm。當(dāng)淬火溫度為900 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸有了明顯長(zhǎng)大，較860 ℃時(shí)增加約30%。當(dāng)淬火溫度升高到920 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸長(zhǎng)大較緩慢。當(dāng)淬火溫度繼續(xù)升高到940 ℃時(shí)，奧氏體晶粒尺寸粗大，約為21.389 μm。圖6為不同淬火溫度下的奧氏體晶粒平均尺寸，從圖6可以看出，淬火溫度為860～900 ℃時(shí)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大明顯，淬火溫度為920～940 ℃時(shí)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大較緩慢。

圖5 42CrMo鋼在不同淬火溫度下的奧氏體晶粒形貌Fig.5 Grain morphologies of austenite in the 42CrMo steel after quenching at different temperatures(a) 860 ℃; (b) 880 ℃; (c) 900 ℃; (d) 920 ℃; (e) 940 ℃

圖6 42CrMo鋼不同淬火溫度下的奧氏體晶粒平均尺寸Fig.6 Average grain size of austenite in the 42CrMo steel after quenching at different temperatures

2.5 奧氏體晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)方程

根據(jù)2.4節(jié)中不同淬火溫度下的奧氏體晶粒尺寸變化規(guī)律，采用Beck晶粒長(zhǎng)大模型[8-11]對(duì)42CrMo鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律進(jìn)行擬合：

D=Aexp(-Q/RT)

(1)

式中：A為與保溫時(shí)間有關(guān)的常數(shù)；Q為奧氏體晶粒長(zhǎng)大激活能，J·mol-1；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；T為絕對(duì)溫度，K。對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到式(2)：

lnD=lnA-Q/RT

(2)

結(jié)合圖6所示不同淬火溫度下的晶粒尺寸，利用式(2)進(jìn)行線性擬合，得到42CrMo鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大激活能為2.62×103J·mol-1，常數(shù)A=3.53×102，則奧氏體晶粒長(zhǎng)大方程如式(3)所示：

D=3.53×102exp(-2.62×103/RT)

(3)

3 結(jié)論

1) 隨著淬火溫度的升高，42CrMo鋼顯微組織中板條馬氏體更加密集，片狀碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钐蓟锴覕?shù)量減少。隨著淬火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體化程度越完全，馬氏體細(xì)小，但延長(zhǎng)保溫時(shí)間到120 min時(shí)，板條馬氏體組織逐漸變得粗大。

2) 隨著回火溫度的升高，42CrMo鋼的顯微組織向回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)回火溫度達(dá)到600 ℃時(shí)組織已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，細(xì)粒狀滲碳體均勻分布在基體上。

3) 隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增加。根據(jù)奧氏體晶粒尺寸變化規(guī)律，采用Beck晶粒長(zhǎng)大模型對(duì)42CrMo 鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律進(jìn)行擬合，得到奧氏體晶粒長(zhǎng)大激活能為2.62×103J·mol-1。