42CrMoVNb鋼的熱處理工藝優化及力學性能

韓貴生, 張學敏, 李海濤, 樊帥奇, 戴姣燕, 徐金富,

(1. 長安大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安 710061; 2. 寧波工程學院 材料與化學工程學院, 浙江 寧波 315211)

近年來,高強度螺栓朝著更高等級的方向發展。目前,研發14.9級高強度螺栓已成為研究熱點,其技術指標為硬度44～47 HRC、抗拉強度1400～1500 MPa、屈服強度≥1300 MPa、屈強比≥0.9、斷后伸長率≥8%、斷面收縮率≥44%和-20 ℃低溫沖擊吸收能量≥27 J[1-2]。由于強度等級提高,12.9級高強度螺栓常用的42CrMo鋼已不能滿足其性能要求[3]。鋼鐵研究總院研發的ADF鋼在1300 MPa級強度下韌性和耐延遲斷裂性能較42CrMo鋼相比得到大幅度的提升[4]。王磊等[5]選用自主設計的42CrMoVNb鋼-NJ鋼用于制作14.9級高強度螺栓,取得了較好的效果。燕友增等[6]研究了淬火和回火溫度對42CrMoVNb鋼韌性的影響,指出韌性不受彌散強化的影響,而與Mo和V碳化物的共格析出有關,可以通過提高回火溫度大幅度提升材料的韌性。本文選用42CrMoVNb鋼棒料,通過優化熱處理工藝方案,使其力學性能滿足14.9級高強度螺栓的技術指標要求,為研發14.9級高強度螺栓提供材料依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼為42CrMoVNb鋼熱軋態棒料,其化學成分如表1所示[8]。硬度試樣尺寸為φ20 mm×20 mm;按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》及GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》制作標準拉伸試樣,尺寸為φ16 mm×200 mm;按照GB/T 3098.1—2010中9.14節和GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》制作標準夏比V型缺口沖擊試樣,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,V型槽深2 mm。

表1 42CrMoVNb鋼的化學成分(質量分數,%)[8]

1.2 試驗方法

利用MFLC-7/12箱式馬弗爐進行單因素淬火+回火試驗,并用L9(34)正交試驗法優化熱處理工藝參數,試驗采用到溫裝爐方式,淬火冷卻方式為油冷(OC),淬火介質為DN QUENCH B淬火油,回火冷卻方式為空冷(AC)。利用AXIO Observer ZIM光學顯微鏡觀察試樣微觀組織;利用HR-150A洛氏硬度測試儀檢測試樣硬度;利用JXYB605C萬能拉伸試驗機依據GB/T 228.1—2021進行拉伸試驗;利用PTM2152-C金屬擺錘沖擊試驗機依據GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行-20 ℃低溫沖擊試驗,試驗結果均取3次測量的平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗

保持淬火保溫時間18 min、400 ℃×2 h回火不變的前提下,研究淬火溫度對硬度的影響,結果見圖1。由圖1可見,隨著淬火溫度在820～900 ℃范圍內的升高,淬火和回火后的硬度基本保持不變。淬火溫度偏低會導致奧氏體化程度不足,材料無法淬硬。淬火溫度偏高會導致奧氏體晶粒粗化,淬火后產生的馬氏體板條束尺寸隨之增大,使材料的硬度和韌性降低[9]。合適的淬火溫度可使合金元素的碳化物充分固溶在奧氏體中,得到較好的強韌性匹配。因此,在保證試樣充分奧氏體化的前提下,選取820～860 ℃為最優試驗淬火溫度范圍。

圖1 淬火溫度對42CrMoVNb鋼硬度的影響

保持840 ℃×18 min淬火、回火時間2 h不變的前提下,研究回火溫度對硬度的影響,結果見圖2。由圖2可見,隨著回火溫度在400～460 ℃范圍內的升高,材料的硬度隨之降低。這是由于在回火過程中,組織中的淬火馬氏體發生分解,過飽和的碳化物從基體中析出,淬火馬氏體逐漸向回火屈氏體進行轉變,隨著回火溫度的升高,碳元素的活性和擴散速率逐漸增加,馬氏體向回火屈氏體的轉變更為充分,碳對基體的固溶強化作用逐漸減小,與此同時組織中的位錯密度和殘余應力也大幅度降低,基體趨于軟化,宏觀上表現為硬度和強度的降低[10-11]。除460 ℃回火試樣外,其余試樣硬度均在44～47 HRC范圍內。因此,選取400～440 ℃為最優試驗回火溫度范圍。

圖2 回火溫度對42CrMoVNb鋼硬度的影響(840 ℃×18 min油冷)

2.2 熱處理工藝優化

根據單因素試驗結果,利用L9(34)正交試驗對熱處理工藝進行優化,其中因素A為淬火溫度,取820、840和860 ℃三水平;因素B為淬火保溫時間,取15、20和25 min三水平;因素C為回火溫度,取400、420和440 ℃三個水平;因素D為回火時間,取100、120和150 min三水平;分別以-20 ℃沖擊吸收能量、硬度、抗拉強度和屈服強度作為評價指標。具體試驗結果見表2和圖3。

表2 42CrMoVNb鋼正交試驗結果

圖3(a1～d1)為淬火回火工藝參數對42CrMoVNb鋼-20 ℃低溫沖擊性能的影響。由圖3(a1, c1)可見,-20 ℃ 低溫沖擊吸收能量隨淬火溫度和回火溫度的增加而增加。淬火溫度升高會促進合金元素溶入奧氏體中,從而提高材料的沖擊性能;回火溫度的升高,會導致馬氏體過飽和度下降,碳化物以細小顆粒形式析出,使裂紋在擴展中所需的臨界應力提高[12],而且相關研究[13]表明,隨著回火溫度的升高,馬氏體中的亞結構和位錯會逐漸減少,并且伴隨α鐵素體回復的發生,這些演變均會使組織中大角度晶界增加,使晶粒間的位相差變大,阻礙裂紋的擴展,從而提高材料的低溫沖擊性能。由圖3(b1)可見,保溫時間對低溫沖擊性能的影響不大。由圖3(d1)可見,隨著回火時間的增加,-20 ℃低溫沖擊吸收能量呈先小幅度降低后升高的趨勢,在回火時間達到120 min后,適當延長保溫時間可提升材料低溫沖擊性能。在充分奧氏體化的前提下,保溫時間過長反而會導致工件表面氧化、晶粒粗大、能耗高等負面影響。因此,以低溫沖擊性能為指標時,最優淬火回火工藝為860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

圖3(a2～d2)為淬火回火工藝參數對42CrMoVNb鋼硬度的影響。由圖3(a2, b2)可見,淬火溫度和淬火保溫時間對硬度的影響不大;由圖3(c2)可見,隨著回火溫度的升高,硬度逐漸下降;由圖3(d2)可見,隨著回火時間的延長,硬度基本保持不變。因此,以硬度為指標時,最優淬火回火工藝為840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×100 min,空冷。

圖3(a3～d3)為淬火回火工藝參數對42CrMoVNb鋼強度的影響。由圖3(a3)可見,屈服強度和抗拉強度均隨著淬火溫度的升高呈先增后降的趨勢,在840 ℃時達到最高;由圖3(b3)可見,淬火保溫時間對抗拉強度的影響不大;由圖3(c3)可見,隨著回火溫度的升高,強度逐漸下降;由圖3(d3)可見,回火時間對強度的影響不大。因此,以強度為指標時,最優淬火回火工藝為840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×150 min,空冷。

圖3 淬火回火工藝參數對42CrMoVNb鋼力學性能的影響

綜上,在3種最優熱處理工藝條件下,硬度和強度指標均能滿足14.9級高強螺栓的標準要求,而工藝1的-20 ℃低溫沖擊性能最高。因此,最終選取860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷為最優的熱處理工藝。

2.3 最優工藝下的顯微組織和力學性能

根據正交試驗結果,42CrMoVNb鋼經860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的顯微組織見圖4,力學性能見表3。由圖4可見,其組織為回火屈氏體基體上彌散分布著細小的碳化物顆粒;由表3可見,其硬度、強度、屈強比、塑性、-20 ℃低溫沖擊性能均可達到14.9級高強度螺栓的技術指標要求。

表3 42CrMoVNb鋼經860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的力學性能

圖4 42CrMoVNb鋼經860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的顯微組織

3 結論

1) 淬火溫度和淬火保溫時間對42CrMoVNb鋼的硬度和強度影響不大;隨著回火溫度的升高和回火時間的延長,42CrMoVNb鋼的硬度逐漸降低;隨著回火溫度的升高,42CrMoVNb鋼的強度逐漸降低;隨著淬火溫度、回火溫度的升高,42CrMoVNb鋼的-20 ℃低溫沖擊性能逐漸提高,回火時間達到120 min后,適當延長回火時間可提升42CrMoVNb鋼的-20 ℃低溫沖擊性能。最優淬火回火工藝為860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

2) 42CrMoVNb鋼經最優淬火回火工藝處理后的組織為回火屈氏體基體上彌散分布著細小的碳化物顆粒,硬度44.5 HRC,抗拉強度1467 MPa,屈服強度1357 MPa,屈強比0.93,斷后伸長率10.5%,斷面收縮率46%,-20 ℃低溫沖擊吸收能量27.1 J,力學性能滿足14.9級高強度螺栓的技術指標要求。