回火對(duì)42CrNiMo6鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

趙 亮，鄒 鵬，王飛宇，陳麗娟，閆 卓，雍建華，金 星

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

42CrNiMo6是一種中碳鉻鎳鉬合金結(jié)構(gòu)鋼，熱處理制度為調(diào)質(zhì)處理，熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能[1]，如較高的強(qiáng)度和韌性匹配，良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于高負(fù)荷、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的零件，例如大型發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，通風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的高強(qiáng)度緊固件。近年來，隨著我國(guó)風(fēng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展，低溫氣體工況機(jī)組需求不斷增加，對(duì)緊固件的低溫韌性要求也越高，尤其是緊固件的韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)低于工況溫度，才不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

目前，材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度是指50%FATT對(duì)應(yīng)的溫度，即材料的夏比沖擊V形缺口的斷口形貌為50%的剪切斷面率對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度[3]。本文通過研究不同回火溫度與材料強(qiáng)度和低溫韌性的關(guān)系，確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，為制定材料不同強(qiáng)度等級(jí)的低溫使用規(guī)則提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)材料為42CrNiMo6鋼，電渣重熔后鍛造成型，試驗(yàn)材料規(guī)格為φ120 mm×360 mm。該材料的Ac1=710 ℃，Ac3=780 ℃，化學(xué)成分見表1。

表1 42CrNiMo6試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

淬火采用RX3-45-12高溫箱式電阻加熱爐，回火采用RTX75-9專用回火電阻爐。選取三個(gè)相同規(guī)格試驗(yàn)材料進(jìn)行熱處理，淬火溫度為850 ℃，回火溫度分別為590、620和650 ℃，具體工藝參數(shù)如圖1所示。

圖1 熱處理工藝參數(shù)Fig.1 Heat treatment process parameter

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 力學(xué)性能

試驗(yàn)材料調(diào)質(zhì)后，在表面處切取縱向力學(xué)性能試樣，拉伸試樣的平行部分直徑為φ6 mm，在RAS250萬能試驗(yàn)機(jī)上按GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)按GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)，加工成尺寸為10 mm×10 mm×55 mm夏比V型缺口沖擊試樣，缺口深度為2 mm。室溫和低溫沖擊試驗(yàn)在JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，低溫試驗(yàn)方法為：試樣在酒精和液氮中冷卻到低于試驗(yàn)溫度2～3 ℃，待溫度穩(wěn)定后迅速取出進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。布氏硬度按GB/T 231《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)。不同回火溫度下合金強(qiáng)度和塑性測(cè)試結(jié)果見表2，夏比V形缺口沖擊吸收功見表3。每個(gè)性能測(cè)試3個(gè)試樣，取其平均值。

可以看出，隨著回火溫度的升高，鋼的強(qiáng)度和硬度明顯下降，塑性有所升高，而沖擊韌性明顯升高；然而，隨著試驗(yàn)回火溫度的降低，鋼的低溫韌性明顯下降。

2.2 金相顯微組織

在沖擊試樣上切取金相試樣，依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光和侵蝕，侵蝕液采用3%～5%硝酸酒精。在META VAL型倒立式顯微鏡觀察金相顯微組織(見圖2)。從圖中可以看出，590～650 ℃回火后，鋼的組織為回火索氏體，局部分布?xì)堄鄪W氏體[4]。

表2 不同回火溫度下試樣強(qiáng)度和塑性

表3 不同回火溫度下夏比V形缺口沖擊吸收功

2.3 沖擊斷口形貌

利用Zeiss Supra55型掃描電子顯微鏡對(duì)590 ℃回火后-70 ℃沖擊斷口、620 ℃回火后-30 ℃沖擊斷口和650 ℃回火后室溫沖擊斷口進(jìn)行形貌分析，見圖3。從圖中可以看出，590 ℃回火后-70 ℃沖擊斷口形貌以準(zhǔn)解理斷裂為主，其中解理平臺(tái)較小局部產(chǎn)生撕裂棱[5]，這是因?yàn)樵摰蜏貨_擊時(shí)，沖擊吸收功比較低；在620 ℃回火后-30 ℃低溫沖擊時(shí)，沖擊吸收功有所提高，導(dǎo)致其斷口形貌含有準(zhǔn)解理和韌窩；而650 ℃回火后室溫沖擊時(shí)，斷口形貌為韌性斷裂，屬于微孔聚集性斷裂，有一定數(shù)量的韌窩纖維，這是因?yàn)槠錄_擊吸收功提高較明顯。

(a)590 ℃回火；(b)620 ℃；(c)650 ℃回火圖2 調(diào)質(zhì)后試驗(yàn)材料金相組織(a)tempering at 590 ℃；(b)tempering at 620 ℃；(c)tempering at 650 ℃Fig.2 Microstructure of of test materials after quenching and tempering

(a)590 ℃回火后-70 ℃；(b)620 ℃回火后-30 ℃；(c)650 ℃回火后室溫圖3 沖擊斷口形貌(a)-70 ℃after tempering at 590 ℃；(b)-30 ℃after tempering at 620 ℃；(c) room temperature after tempering at 650 ℃Fig.3 Impact fracture morphology

2.4 不同回火溫度的韌脆轉(zhuǎn)變溫度

根據(jù)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》附錄C內(nèi)容，50%FATT對(duì)應(yīng)的溫度為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。測(cè)量斷口閃亮部分的長(zhǎng)度和寬度，為解理斷裂部分，如圖4所示。

不同溫度回火后鋼的低溫沖擊斷口的剪切斷面率如表4所示。

從斷口宏觀形貌分析可知，當(dāng)沖擊吸收功達(dá)到100 J時(shí)，晶狀斷面率為10%，斷口幾乎為纖維狀；當(dāng)沖擊吸收功低于30 J時(shí)，斷口幾乎為結(jié)晶狀。根據(jù)50%FATT面積對(duì)應(yīng)的沖擊吸收功，一般約為50 J，由此推算，590 ℃回火的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為室溫，620 ℃回火的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-50 ℃，而650 ℃回火的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-70 ℃。

圖4 剪切斷面率的百分比尺寸Fig.4 The percentage size of shear section ratio

表4 不同回火溫度下試樣的夏比V形缺口剪切斷面率

3 結(jié)論

對(duì)42CrNiMo6鋼進(jìn)行了不同回火溫度的調(diào)質(zhì)試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試以及金相和沖擊斷口形貌分析，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)淬火溫度不變時(shí)，隨著回火溫度的升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降，沖擊吸收功提高，塑性有所增加。

2)材料的沖擊吸收功、剪切斷面率、韌脆轉(zhuǎn)變溫度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，50%FATT剪切斷面率等效于50 J的夏比V型缺口的沖擊吸收功。

3)42CrNiMo6鋼的590 ℃回火韌脆轉(zhuǎn)變溫度為室溫，620 ℃回火韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-50 ℃，650 ℃回火韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-70 ℃。

4)在緊固件選材和制造過程中，應(yīng)保證材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于零件工況溫度，尤其是低溫工況下，可以通過降低材料的強(qiáng)度來保證低溫韌性。