40Cr合金鋼國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比分析

張 鵬，種法國(guó)，袁淑君，趙新華

（山鋼股份萊蕪分公司，山東 濟(jì)南271105）

1 前 言

40Cr 合金鋼是我國(guó)用量最大的調(diào)質(zhì)合金鋼之一，被廣泛用于制造連桿、軸類、螺栓和各類重要零部件［1-2］。2020版GB/T 24595在對(duì)國(guó)內(nèi)曲軸鋼市場(chǎng)需求和先進(jìn)鋼企研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)實(shí)績(jī)進(jìn)行充分調(diào)研基礎(chǔ)上，對(duì)40Cr 牌號(hào)的微合金元素含量、氣體元素含量、交貨硬度值、淬透性、非金屬夾雜物、微觀組織檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)等主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了修改和增補(bǔ)。目前，國(guó)內(nèi)涉及到40Cr 牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)包括GB/T 24595—2020、GB/T 3077—2015 等 5 項(xiàng)。為了研究40Cr 合金鋼各標(biāo)準(zhǔn)中該牌號(hào)的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)、微觀組織檢驗(yàn)等的差別，對(duì)比研究了GB/T 24595—2020 中40Cr 及其等同牌號(hào)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)情況，為該產(chǎn)品的生產(chǎn)和下游用戶使用提供依據(jù)。

2 我國(guó)40Cr合金鋼標(biāo)準(zhǔn)概況

目前，我國(guó)40Cr 合金鋼相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)共5 項(xiàng)，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。根據(jù)適用范圍可分為3 類:第一類包括GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 5216—2014《保淬透性結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 24595—2020《汽車調(diào)質(zhì)曲軸用熱軋鋼棒》三項(xiàng)。GB/T 24595—2020采用了 GB/T 3077—2015 和 GB/T 5216—2014 中力學(xué)及工藝性能、低倍組織、非金屬夾雜物、表面缺陷清理等的較高級(jí)別技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)一步提高了奧氏體晶粒度、窄淬透性帶的要求，新增了氫元素含量、壓縮比、熱軋態(tài)硬度、非金屬夾雜物總量、帶狀組織和超聲檢測(cè)的規(guī)定，其技術(shù)內(nèi)容和指標(biāo)參數(shù)設(shè)定較好的滿足了用戶需求，體現(xiàn)了我國(guó)40Cr 熱軋鋼棒產(chǎn)品的研發(fā)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；第二類為GB/T 11251—2009《合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板》適用于熱處理狀態(tài)合金結(jié)構(gòu)鋼板，化學(xué)成分引用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077；第三類為GB/T 17107—1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和力學(xué)性能》適用于調(diào)質(zhì)處理后鍛件，化學(xué)成分引用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077。從我國(guó)40Cr合金鋼市場(chǎng)情況來(lái)看，以熱軋態(tài)鋼棒為主，因此，本文將重點(diǎn)研究GB/T 24595—2020 與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比情況。

表1 我國(guó)40Cr合金鋼相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)

3 40Cr合金鋼國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

經(jīng)檢索，40Cr合金鋼相關(guān)的國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)主要有 4 項(xiàng):國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 683—2:2018、美標(biāo) ASTM A29/A29M—2016、日標(biāo) JIS G4053—2016 和俄標(biāo)GOST 4543—2016。ISO 683—2:2018和GOST 4543—2016 對(duì)合金鋼的化學(xué)成分、尺寸、外形、微觀組織、力學(xué)及工藝性能、表面質(zhì)量、檢驗(yàn)規(guī)則等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。JIS G4053—2016 以 ISO 683—2 為基礎(chǔ)，技術(shù)內(nèi)容略有調(diào)整，主要規(guī)定了壓縮比、化學(xué)成分、尺寸偏差、表面缺陷清除等。ASTM A29/A29M—2016主要規(guī)定了化學(xué)成分、奧氏體晶粒度、尺寸、外形及允許偏差、檢驗(yàn)規(guī)則、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)等。表2 所列為40Cr合金鋼相關(guān)國(guó)內(nèi)外表示及牌號(hào)。

表2 國(guó)內(nèi)外40Cr合金鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)

3.1 化學(xué)成分

表3 所列為40Cr 合金鋼等同牌號(hào)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)化學(xué)成分的規(guī)定:各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了C、Si、Mn、Cr 和Cu 元素含量，但含量范圍和限值存在差異。GB/T 24595—2020 中Cu元素含量上限值明顯低于其他標(biāo)準(zhǔn)，ISO 683—2:2018 中Si 元素含量范圍較其他標(biāo)準(zhǔn)寬松，ASTM A29/A29M—2016 中Cr元素含量明顯低于其他標(biāo)準(zhǔn)；GB/T 24595—2020和ASTM A29/A29M—2016 規(guī)定了Mo 元素含量上限值，但ASTM A29/A29M—2016 中指標(biāo)更低；GB/T 24595—2020、ASTM A29/A29M—2016 和JIS G4053—2016 規(guī)定了Ni 元素含量上限值，但GB/T 24595—2020 的規(guī)定高于另外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；GB/T 24595—2020 規(guī)定了氫元素和氧元素含量上限值；GOST 4543—2016規(guī)定了氮元素含量上限值。具體如下:1）GB/T 24595—2020 化學(xué)元素含量規(guī)定全面，P 含量要求較嚴(yán)格，S 和Cu 含量上限低于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了Mo、Ni、［O］和［H］元素含量上限；2）ISO 683—2:2018 未對(duì) Mo、Ni 和氣體元素含量作出規(guī)定，Si 元素含量范圍設(shè)置較大，Cu 元素含量上限值設(shè)定高；3）JIS G4053—2016 未對(duì) Mo 和氣體元素含量作出規(guī)定；4）GOST 4543—2016 按照合金鋼分級(jí)對(duì)P、S和Cu元素含量進(jìn)行了分別規(guī)定，表中數(shù)值為低級(jí)別鋼中含量要求，未規(guī)定Mo 和Ni 元素含量要求，未規(guī)定［N］和［O］元素含量要求，但是規(guī)定了［N］應(yīng)≤0.008%；5）ASTM A29/A29M—2016 規(guī)定P、S元素含量上限較高，Cr元素含量的上下限顯著低于其他標(biāo)準(zhǔn)，未規(guī)定氣體元素含量要求。

表3 化學(xué)成分對(duì)比 %

3.2 奧氏體晶粒度

鋼的晶粒度對(duì)鋼的力學(xué)性能、工藝性能和熱處理行為有著重要的影響，細(xì)晶粒鋼具有較高的強(qiáng)度、沖擊韌性、塑性以及良好的加工性［3］。表4為各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)40Cr 合金鋼棒奧氏體晶粒度的規(guī)定，可見(jiàn)GB/T 24595—2020的規(guī)定高于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 奧氏體晶粒度對(duì)比

3.3 交貨硬度

鋼的交貨硬度直接影響后續(xù)機(jī)加工的難易程度，因此需要對(duì)鋼的交貨硬度加以限制。GB/T 24595—2020 規(guī)定了40Cr 合金鋼棒熱軋態(tài)硬度上限值，GOST 4543—2016 規(guī)定了鋼棒退火態(tài)的硬度值，ISO 683—2:2018 規(guī)定了+A（軟化退火）、+S（處理以提高可切割性）和淬火后的表面硬度值，JIS G4053—2016 和 ASTM A29/A29M—2016 未對(duì)鋼棒交貨硬度作出規(guī)定。1）GB/T 24595—2020:40Cr鋼棒熱軋態(tài)交貨硬度應(yīng)≯HBW 300；2）ISO 683—2:2018 按照EN ISO 6506—1 測(cè)量硬度，+A（軟化退火）狀態(tài)下硬度應(yīng)≯HBW 241，+S（處理以提高可切割性）狀態(tài)下硬度應(yīng)≯HBW 255，火焰淬火或感應(yīng)淬火后鋼的表面硬度應(yīng)≮HRC 53；3）GOST 4543—2016硬度檢測(cè)方法執(zhí)行GOST 9012—59標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定退火狀態(tài)合金鋼棒的硬度應(yīng)≯HBW 207。

3.4 力學(xué)及工藝性能

調(diào)質(zhì)狀態(tài)下合金鋼棒的力學(xué)和工藝性能采用屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收功來(lái)表征。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018對(duì)合金鋼棒的力學(xué)和工藝性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。但是，ISO 683—2:2018的熱處理制度、取樣方法顯著區(qū)別于GB/T 24595—2020 和GOST 4543—2016，其技術(shù)指標(biāo)無(wú)可比性。JIS G4053—2016 中規(guī)定合金鋼的力學(xué)和工藝性能由供需雙方協(xié)商確定，ASTM A29/A29M—2016 規(guī)定了合金鋼棒的力學(xué)和工藝性能檢測(cè)方法，但是未規(guī)定指標(biāo)參數(shù)數(shù)值。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合金鋼棒力學(xué)和工藝性能的規(guī)定見(jiàn)表5。

表5 力學(xué)及工藝性能對(duì)比

3.5 淬透性

淬透性是鋼的重要特性，是鋼淬火時(shí)獲得馬氏體的能力，淬透性的好壞直接影響淬火后鋼整個(gè)截面的綜合力學(xué)性能［4-5］。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018對(duì)合金鋼棒的端淬性能進(jìn)行規(guī)定，JIS G4053—2016中規(guī)定合金鋼的淬透性由供需雙方協(xié)商確定，ASTM A29/A29M—2016未對(duì)鋼的淬透性作出規(guī)定。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合金鋼棒淬透性的規(guī)定見(jiàn)表6，GB/T 24595—2020的淬透性指標(biāo)范圍更窄，有利于熱處理變形及質(zhì)量穩(wěn)定性控制［6］。

表6 淬透性指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié) 論

4.1 2020 版 GB/T 24595 中對(duì) 40Cr 牌號(hào)的化學(xué)成分、氣體元素含量、交貨硬度值、淬透性、非金屬夾雜物、微觀組織檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)等主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了修改和增補(bǔ)，技術(shù)指標(biāo)整體采用或者高于國(guó)內(nèi)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 2020 版 GB/T 24595 與 ISO 683—2:2018、ASTM A29/A29M—2016、JIS G4053—2016 和GOST 4543—2016 相比，具有以下特點(diǎn):化學(xué)元素規(guī)定全面，部分指標(biāo)嚴(yán)于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了［O］和［H］元素含量要求，有利于提高產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量、綜合力學(xué)性能、機(jī)加工性能、使用壽命等［7-9］；奧氏體晶粒度的要求高于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，有利于綜合力學(xué)性能提高、窄淬透性帶控制等；規(guī)定了合金鋼棒的熱軋態(tài)交貨硬度，有利于產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量管控；強(qiáng)度性能指標(biāo)與GOST 4543—2016 一致，直徑80 mm 以下鋼棒的斷后伸長(zhǎng)率略低于GOST 4543—2016，直徑80 mm 以上鋼棒的斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊吸收功的要求均高于GOST 4543—2016；淬透性的技術(shù)指標(biāo)要求高于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，有利于熱處理變形及質(zhì)量穩(wěn)定性控制。