42CrMo鋼用于高強(qiáng)度螺栓的熱處理工藝

喬岳云，郭榮

在不同氣候條件下，用于固定風(fēng)電塔筒緊固件的性能要求不達(dá)標(biāo)問題逐步顯現(xiàn)出來。內(nèi)蒙古西部地區(qū)的風(fēng)沙較大，風(fēng)沙侵蝕也較嚴(yán)重，風(fēng)電塔筒緊固件就經(jīng)常達(dá)不到強(qiáng)度、硬度等綜合性能的要求。

本文針對風(fēng)電塔筒緊固件在大風(fēng)沙地區(qū)的使用環(huán)境下，42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓的綜合性能達(dá)不到要求這一問題，從調(diào)整42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓淬火加熱時(shí)的碳勢、淬火冷卻時(shí)的水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度和回火溫度入手，通過測定高強(qiáng)度螺栓經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能和顯微組織分析等措施，最大限度地提高42CrMo鋼的綜合性能，以滿足用于高強(qiáng)螺栓的42CrMo鋼在特定使用環(huán)境下的高要求。

1.試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)原材料是國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的φ40mm雙真空冶煉鋼棒料，該材料經(jīng)復(fù)驗(yàn)后得到的化學(xué)成分見表1。

（2）試驗(yàn)方法 高強(qiáng)度螺栓的加工過程是將φ40mm的棒料經(jīng)粗車→沖壓→縮頸→退火→攻螺紋→淬火→回火→性能測試→高強(qiáng)度螺栓。其中淬回火工序在托輥型網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線上進(jìn)行，具體工藝為：將托輥型網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線的網(wǎng)帶淬火爐升溫至400℃，保溫1h，繼續(xù)升溫到600℃，保溫1h，當(dāng)溫度升高到800℃，開始通入甲醇和丙酮作為保護(hù)氣氛，以免高強(qiáng)度螺栓表面脫碳及網(wǎng)帶淬火爐爐膛被氧化，保溫1h，繼續(xù)升溫到860℃并穩(wěn)定在這一溫度，當(dāng)碳勢穩(wěn)定在0.4%時(shí)，開始放入待處理高強(qiáng)度螺栓，保溫1.5h（本試驗(yàn)高強(qiáng)度螺栓的直徑為36mm，所以保溫時(shí)間為1.5h），出爐用水溶性淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，然后在指定回火溫度下回火，保溫2h（同樣，利用高強(qiáng)度螺栓的直徑為36mm，確定出回火保溫時(shí)間為2h），出爐水冷。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出3個(gè)熱處理工藝參數(shù)的影響因素，通過正交試驗(yàn)以期找到它們之間的交互影響，確定出各因素的最佳參數(shù)。

2.試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行熱處理時(shí)的碳勢、水溶性淬火冷卻介質(zhì)和回火溫度3個(gè)參數(shù)因素及其3個(gè)水平，見表2。

根據(jù)3個(gè)參數(shù)因素及其3個(gè)水平，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為9組試驗(yàn)來進(jìn)行。表3為42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓在不同熱處理工藝參數(shù)下對力學(xué)性能影響的試驗(yàn)結(jié)果，表中所有數(shù)據(jù)均取3～8個(gè)試樣的平均值。

表1 材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 試驗(yàn)因素-水平表

由表3可知，當(dāng)水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度分別為1%～6%、6%～12%和12%～18%，回火溫度分別為520℃、530℃和540℃時(shí)，42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓的σb分別為1158MPa、1170MPa和1160MPa，σ0.2分別為1044MPa、1052MPa和1046MPa，δ5分別為13.3%、14%和12.7%，AKU分別為84J、88J和87J，Ψ分別為48.3%、51%和49.3%?？梢钥闯?，42CrMo鋼的力學(xué)性能隨著熱處理參數(shù)水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度和回火溫度的升高，呈先上升后下降的趨勢，故當(dāng)水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度為6%～12%，回火溫度為530℃時(shí)，42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓的性能σb為1170MPa，σ0.2為1052MPa，δ5為14%，AKU為88J，Ψ為51%，達(dá)到了最大值，其綜合性能也最好。同時(shí)，研究表明，42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓在淬火加熱過程中的碳勢主要起保護(hù)氣作用，抑制高強(qiáng)度螺栓的表面脫碳和阻止托輥型網(wǎng)帶淬火爐爐膛的氧化，一般碳勢控制在0.4%左右為宜，對高強(qiáng)度螺栓的組織和性能影響不大。

（1）不同熱處理工藝參數(shù)對42CrMo鋼顯微組織的影響 附圖為42CrMo鋼分別在第一組、第五組和第九組熱處理工藝參數(shù)下的顯微組織。圖中的明亮基體均為馬氏體組織，不規(guī)則顆?；驐l狀組織為貝氏體和鐵素體，其中黑色的基體為板條馬氏體組織，較為明亮的為貝氏體組織，亮點(diǎn)是未溶碳化物或貝氏體組織端部與觀察面相截的結(jié)果，而鐵素體上的亮點(diǎn)（圖c中箭頭所指）是轉(zhuǎn)變過程析出的碳化物。

附圖中的貝氏體組織均為無碳貝氏體，但在形態(tài)上存在很大差別。圖a和圖c中已有常見的無碳貝氏體組織，但更多是針片狀，且分布不均勻，存在偏析現(xiàn)象。而圖b中，在碳勢（0.4%）、水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度（6%～12%）和回火溫度530℃熱處理工藝參數(shù)下，42CrMo鋼的貝氏體組織多為粒狀且有相鄰貝氏體組織相互銜接現(xiàn)象，這表明無碳貝氏體形成的早期不是通常所見的粒狀，而是多為針狀，且分布均勻，這是因?yàn)樵诰Ы缣幋嬖谳^高的能量和成分起伏，有利于貝氏體鐵素體形核。圖a和圖c中無碳貝氏體生長不充分，形成了明顯的由晶界處向晶內(nèi)平行生長的束狀貝氏體鐵素體。

42CrMo鋼在三組熱處理工藝下的顯微組織

表3 不同熱處理工藝下的試驗(yàn)結(jié)果

無碳貝氏體的形成，主要是由于42CrMo鋼在適當(dāng)濃度的水溶性淬火冷卻介質(zhì)中淬火冷卻時(shí)，碳在鐵素體和奧氏體中的擴(kuò)散能力都較強(qiáng)，當(dāng)貝氏體、鐵素體形核后，其過飽和碳能夠快速地?cái)U(kuò)散出去，而且能夠長距離擴(kuò)散到奧氏體中，這樣就保證了在貝氏體、鐵素體生長時(shí)和長成后，其內(nèi)沒有碳化物析出。同時(shí)也表明貝氏體、鐵素體周圍奧氏體的碳含量不過高，否則就會有碳化物析出，使其長生受阻。因此，在適當(dāng)?shù)奶紕荨⑺苄源慊鹄鋮s介質(zhì)濃度和回火溫度等熱處理工藝參數(shù)下，42CrMo鋼的組織更加細(xì)化、均勻化，綜合性能也更優(yōu)。

（2）水溶性淬火冷卻介質(zhì)對42CrMo鋼力學(xué)性能的影響 淬火冷卻速度是由水溶性淬火冷卻介質(zhì)的濃度決定的，濃度越低，淬火冷卻速度就越快，當(dāng)水溶性淬火冷卻介質(zhì)的濃度為1%～6%時(shí)，淬火冷卻速度過快，馬氏體組織轉(zhuǎn)變不充分，42CrMo鋼組織中易產(chǎn)生偏析、畸變等缺陷；而濃度為6%～12%時(shí)，淬火冷卻速度適中，這就給馬氏體轉(zhuǎn)變提供了足夠的時(shí)間，因此也有效減少了工件淬火時(shí)產(chǎn)生畸變、開裂等缺陷的機(jī)會，組織更均勻，綜合性能也更好；當(dāng)水溶性淬火冷卻介質(zhì)的濃度繼續(xù)升高時(shí)，淬火冷卻速度過慢，造成馬氏體變得粗大，使其力學(xué)性能降低。

（3）回火溫度對42CrMo鋼力學(xué)性能的影響 由附圖和表2可看出，在不同熱處理工藝參數(shù)下，42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓淬火后的力學(xué)性能隨回火溫度的變化規(guī)律具有一致性。其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性取決于組成相的性質(zhì)和含量，即取決于馬氏體和鐵素體的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性及其所占體積百分比。在不同溫度回火后，其性能仍取決于馬氏體回火組織和鐵素體的性能。故42CrMo鋼組織在同一臨界區(qū)溫度加熱淬火后，力學(xué)性能隨回火溫度的變化規(guī)律一致。

硬度是表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力，它是金屬材料的重要性能指標(biāo)之一。硬度試驗(yàn)是力學(xué)性能試驗(yàn)中最簡單易行的一種試驗(yàn)方法。實(shí)踐證明，金屬材料的硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，硬度值越高，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高。但是，當(dāng)硬度達(dá)到一定值時(shí)，42CrMo鋼的脆性增加，其斷面收縮率Ψ、沖擊能量AKU和伸長率δ5開始下降，就達(dá)不到使用要求。

由表2可知，隨著熱處理參數(shù)水溶性淬火冷卻介質(zhì)濃度和回火溫度的升高，呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)回火溫度為530℃時(shí)，其組織和性能最好，這是因?yàn)榈蜏鼗鼗饡r(shí)，馬氏體、鐵素體二相強(qiáng)度差別大，易引起應(yīng)力集中和偏析現(xiàn)象，致使組織不能均勻化，性能也達(dá)不到要求。而42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓在530℃回火時(shí)，二相強(qiáng)度差別減小，有利于改善應(yīng)力分布和組織的均勻化。當(dāng)回火溫度過高時(shí)，42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓的組織脆性過高，導(dǎo)致部分力學(xué)性能達(dá)不到要求，所以回火溫度為530℃時(shí)，其綜合力學(xué)性能最好。

（4）回火溫度對42CrMo鋼顯微組織的影響 42CrMo鋼高強(qiáng)螺栓經(jīng)淬火后回火，回火溫度對它們的顯微組織的影響規(guī)律是一致的，組織都經(jīng)歷了從粗大到細(xì)小的變化過程。淬火后不同回火過程主要是淬火組織應(yīng)力的消除、組織的穩(wěn)定化和基體組織碳化物析出過程。520℃回火時(shí)，組織為回火馬氏體、未溶鐵素體以及少量的殘留奧氏體，低溫回火時(shí)析出的碳化物較細(xì)小。隨回火溫度的升高，碳原子不斷析出，形成碳化物，先析出的碳化物不斷長大，形成回火托氏體，到530℃時(shí)，碳化物繼續(xù)長大并且粒狀化，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織，形成回火索氏體和未溶鐵素體，此時(shí)鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性以及沖擊韌度有較大幅度提高。

3.結(jié)語

（1）適當(dāng)?shù)乃苄源慊鹄鋮s介質(zhì)濃度和回火溫度等熱處理參數(shù)使42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓的組織得到了細(xì)化、均勻化，其綜合性能也得到了很大的提高。

（2）42CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓經(jīng)第五組熱處理（加熱860℃保溫1.5h，碳勢0.4%）+水溶性淬火冷卻介質(zhì)（6%～12%）冷卻+530℃回火保溫2h+水冷）后的組織均勻化、細(xì)化，綜合性能也最好。20140415