4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝

白廣成 崔 波

(東北特殊鋼集團技術(shù)中心北滿基地分中心，黑龍江161041)

調(diào)質(zhì)鋼是機械制造行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的重要材料之一。2008年我公司首次以軋代鍛生產(chǎn)供出口的?254 mm～?310 mm大規(guī)格4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材。生產(chǎn)中利用罩式退火爐和水槽對鋼材進行調(diào)質(zhì)處理，對工藝流程和工藝參數(shù)我們也進行了一系列的試驗研究。

1 4140鋼的技術(shù)要求

用戶對4140鋼的化學(xué)成分要求見表1。

成品圓鋼表面下25.4 mm處的縱向力學(xué)性能及鋼材表面硬度要求見表2。

鋼材奧氏體晶粒度要求為5～8級。

表1 4140鋼要求的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 4140鋼力學(xué)性能要求

2 4140鋼調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝

4140鋼調(diào)質(zhì)材生產(chǎn)工藝流程為：電爐冶煉(EBT)→LF爐精煉→鋼錠澆注→熱送→均熱爐→軋機軋制→緩冷→表面扒皮清理→淬火→回火→鋼材矯直→清理→檢驗、上交。

為保證鋼材力學(xué)性能要求，精煉時按照化學(xué)成分內(nèi)控標準進行控制，內(nèi)控成分見表3。

表3 4140鋼內(nèi)控化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.1 4140鋼軋制工藝

鋼錠在825 mm軋機上軋制成?180 mm～?310 mm規(guī)格的鋼材。因為4140鋼含Mn、S，在生產(chǎn)中對熱送的5.8 t鋼錠采用均熱溫度1 260℃，均熱時間3 h，這保證了鋼錠透燒以使軋制變形均勻。軋后鋼材入緩冷坑緩冷60 h，出坑后經(jīng)表面扒皮清理轉(zhuǎn)到冷拔熱處理廠進行調(diào)質(zhì)處理。

2.2 4140鋼調(diào)質(zhì)工藝

在淬火加熱裝爐前需要對鋼材表面進行臺架檢查清理，保證表面無裂紋缺陷，以防止在淬火過程中由表面裂紋導(dǎo)致產(chǎn)生淬火裂紋。

鋼材淬火加熱在罩式爐進行，裝爐量控制在20 t左右，勻速升溫至(890±10)℃，均溫、保溫。淬火前水槽注滿并保持一定流量，水溫為10～40℃。時間控制為從摘罩到入水時間在10 min以內(nèi)。鋼材在水中每間隔2 min吊起后再入水中。淬火總時間30 min，出水時鋼材表面溫度達到200℃以下。

鋼材淬火后，盡快裝爐回火?；鼗饻囟?80℃，均溫后保溫(6～8)h。出爐后水槽快冷到400℃以下，然后空冷。

3 4140鋼調(diào)質(zhì)材質(zhì)量分析

3.1 力學(xué)性能檢驗

力學(xué)性能檢驗結(jié)果見表4。從表4可以看出，設(shè)計的工藝路線、化學(xué)成分內(nèi)控標準、各工藝操作規(guī)程合理準確，使4140熱軋調(diào)質(zhì)材的綜合性能均滿足技術(shù)指標的要求。

表4 4140鋼力學(xué)性能檢驗結(jié)果

3.2 4140鋼的晶粒度檢驗

采用喂鋁線、加釩鐵的方法使釩、鋁化合物以細小彌散質(zhì)分布于晶界，阻止了晶粒長大，達到了細化晶粒的目的，使晶粒度級別穩(wěn)定在7～8級。

3.3 調(diào)質(zhì)材組織情況

沿調(diào)質(zhì)后鋼材的半徑方向，從表面到心部位置分三段取樣做金相組織檢驗，結(jié)果見圖1。圖1顯示，接近表面處完全淬透，調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體組織。1/2R處得到大部分索氏體組織，而接近鋼材心部為混合組織。

3.4 淬火裂紋的產(chǎn)生原因及控制措施

第一批鋼材試制時，在調(diào)質(zhì)后的鋼材上發(fā)現(xiàn)了31%的淬火縱向裂紋和37%的端頭環(huán)裂。裂紋的形貌見圖2、圖3。

結(jié)合實際生產(chǎn)情況分析認為產(chǎn)生淬火裂紋的主要原因是：(1)因為是采用水作為淬火介質(zhì)，其在高溫區(qū)間冷卻速度快而在Ms點以下的低溫區(qū)間冷卻速度較慢。水溫升高后在高溫區(qū)間的冷卻能力降低，而在低溫區(qū)間的冷卻能力則幾乎沒有變化。在冷卻到Ms點以下的溫度時，鋼發(fā)生馬氏體相變，體積膨脹，產(chǎn)生第二類畸變、第二類應(yīng)力及宏觀的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，因而易產(chǎn)生淬火裂紋；(2)在試制中發(fā)現(xiàn)多數(shù)的縱向裂紋都是在回火之后上臺架清理時出現(xiàn)，這說明縱向裂紋是由于回火時冷卻過快產(chǎn)生的組織應(yīng)力造成的。

圖1 4140鋼淬火、回火金相組織
Figure 1 Metallurgical phase structure of tempering and quenching for 4140 steel

圖2 4140鋼調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的縱向裂紋Figure 2 Longitudinal crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

圖3 4140鋼調(diào)質(zhì)產(chǎn)生的端部環(huán)形裂紋Figure 3 Head circumferential crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

在之后的試生產(chǎn)中我們縮短了淬水時間，將鋼材淬火出水溫度控制在250℃左右。同時控制回火冷卻速度，快速水冷到450℃后空冷到室溫，隨后裝爐進行400℃以下的消除應(yīng)力回火。這一系列措施避免了淬火縱向裂紋的產(chǎn)生。

鋼材端部的環(huán)形裂紋則是由于端部倒角不均勻，在淬火時產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。在以后的生產(chǎn)中嚴格執(zhí)行均勻45°倒角，使環(huán)形裂紋的發(fā)生率降到3%以下。

4 結(jié)論

我公司在2008～2009年生產(chǎn)4140鋼熱軋調(diào)質(zhì)材300多噸，其生產(chǎn)工藝路線合理，技術(shù)措施得當，各項檢驗指標完全滿足了用戶對力學(xué)性能、晶粒度、低倍組織的要求。尤其對控制鋼材在調(diào)質(zhì)過程中產(chǎn)生裂紋所采取的措施是非常有效的，使調(diào)質(zhì)材的綜合合格率穩(wěn)定在97%以上。有利于今后積極開發(fā)國內(nèi)外市場，擴大生產(chǎn)規(guī)模。

[1] 項程云.合金結(jié)構(gòu)鋼.北京：冶金工業(yè)出版社.