熱處理工藝對ZG40CrNi2Mo力學(xué)性能的影響

戴超人

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100)

40CrNi2Mo是一種具有較高強(qiáng)度及韌性的中碳低合金材料，合金元素含量較高，淬透性好[1]。目前，對40CrNi2Mo材質(zhì)的鑄鋼研究較少，對同材質(zhì)鍛鋼研究較多，40CrNi2Mo鍛鋼應(yīng)用于受沖擊循環(huán)載荷的泵軸、壓氣機(jī)軸、曲軸、連桿、飛機(jī)起落架等大型重要零件[2-3]。對同材質(zhì)鍛鋼的研究中，主要解決在熱處理過程中淬硬傾向大及低溫沖擊韌性低的問題。張世英等研究40CrNi2Mo鋼的低溫力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其脆性轉(zhuǎn)變溫度為-125 ℃[4]，曹國珍等研究熱處理工藝對40CrNi2Mo鋼性能影響，發(fā)現(xiàn)一種熱處理工藝，處理后材料屈服強(qiáng)度大于1 100 MPa，常溫沖擊功大于60 J，達(dá)到良好的強(qiáng)韌性配合[5]。

當(dāng)工件結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜時(shí)，使用40CrNi2Mo鍛鋼毛坯加工零件，機(jī)械加工量大，且40CrNi2Mo鍛鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后硬度高機(jī)械加工效率低且成本高。40CrNi2Mo材質(zhì)鑄鋼以鑄造形狀的多樣性及后續(xù)零件成型過程中加工量小的優(yōu)勢，越來越多地應(yīng)用于機(jī)械中重要且外形復(fù)雜的零件。鑄鋼組織及成分均勻性相對較差，在性能上與鍛造鋼存在一定差距，熱處理工藝針對鑄件進(jìn)行研究，目的是找到ZG40CrNi2Mo的穩(wěn)定熱處理工藝，使其擁有良好的強(qiáng)韌型配合，獲得較高的綜合力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為ZG40CrNi2Mo，煉鋼采用電弧爐氧化法冶煉工藝，澆筑采取明冷鐵激冷和冒口補(bǔ)縮聯(lián)合使用的鑄造工藝手段，消除或減少了鋼水在凝固時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，提高了鑄件整體質(zhì)量。材料主要化學(xué)成分見表1。

表1 ZG40CrNi2Mo化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備使用WAW-1000微機(jī)控制電液私服萬能試驗(yàn)機(jī)、ZBC2452型微機(jī)式金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、ZYS1601-A沖擊試驗(yàn)低溫儀、HB-3000C型電子布氏硬度計(jì)、Gx71倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡、PDA-7000島津發(fā)射光譜儀。

2 試驗(yàn)方案

使用2種典型熱處理工藝正火+回火工藝及調(diào)質(zhì)工藝處理試樣，并測試性能。試驗(yàn)澆筑外輪廓1 m×1 m×0.3 m的毛坯，使用機(jī)床冷加工在毛坯上取尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的試樣，每組試驗(yàn)在毛坯厚度方向從外至內(nèi)取3個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果選取平均值進(jìn)行分析。試樣檢測性能包括硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率，常溫沖擊功及-40 ℃沖擊功，根據(jù)試驗(yàn)情況選取部分試樣進(jìn)行金相分析。

由于ZG40CrNi2Mo參考資料較少，且不同鑄造工藝會影響毛坯性能。因此先分析未熱處理的鑄造毛坯(后文稱為鑄態(tài))性能及組織，確定穩(wěn)定的鑄造工藝.

正火+回火熱處理工藝，正火處理目的是細(xì)化鑄態(tài)組織，消除帶狀缺陷，回火降低組織內(nèi)應(yīng)力，提高塑形和韌性，穩(wěn)定組織保證工件尺寸及形狀穩(wěn)定。正火保溫溫度選擇850和890 ℃進(jìn)行對比，保溫2 h，回火溫度選擇450、500、550和600 ℃進(jìn)行對比，保溫4 h。

調(diào)質(zhì)工藝處理后工件一般能獲得非常好的綜合性能。調(diào)質(zhì)工藝研究冷卻介質(zhì)和回火溫度2個(gè)參數(shù)對力學(xué)性能影響。淬火加熱至890 ℃保溫2 h，淬火冷卻介質(zhì)分別使用水、水基淬火液、快速淬火油，回火溫度選擇500、550和600 ℃進(jìn)行對比，保溫時(shí)間4 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鑄件毛坯性能

從鑄造毛坯上取樣進(jìn)行性能檢測，分析熱處理鑄造毛坯性能及組織。鑄態(tài)毛坯力學(xué)性能見表2，該材料鑄態(tài)各項(xiàng)性能相對較低。

表2 鑄態(tài)性能參數(shù)

鑄態(tài)金相組織為片狀珠光體及鐵素體，金相組織如圖1所示，組織分布不均勻，存在明顯帶狀缺陷。同時(shí)發(fā)現(xiàn)材料中存在少量非金屬夾雜物。改進(jìn)鑄造工藝及參數(shù)發(fā)現(xiàn)無法完全消除帶狀缺陷及非金屬夾雜物。該材料的鍛件相關(guān)研究中也有相似發(fā)現(xiàn)，材料內(nèi)部存在細(xì)小夾雜物，夾雜物尺寸一般為10～50 μm。

a) 500倍金相組織

b) 100倍金相組織

3.2 正火+回火工藝

鑄態(tài)毛坯冷卻至室溫后，在毛坯上冷加工取試樣，試樣進(jìn)行正火+回火處理。正火熱處理溫度選取850 ℃和890 ℃進(jìn)行對比，保溫2 h，出爐在空氣中自然冷卻，隨后回火處理，回火熱處理溫度選取4個(gè)溫度進(jìn)行對比，分別為450、500、550和600 ℃，保溫4 h，出爐在空氣中自然冷卻。冷卻至室溫后加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行性能檢測。

對試樣進(jìn)行性能及金相組織檢測，力學(xué)性能見表3，可以看出正火溫度對性能影響不大，隨著回火溫度增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度減小，延伸率增加，沖擊功增加(見圖2)。正火溫度890 ℃+回火溫度550 ℃處理后材料綜合力學(xué)性能最好。

圖2 回火溫度對正火+回火處理試樣性能影響

正火+回火處理后的試樣組織為回火索氏體+鐵素體(見圖3)，具有良好的韌性和塑性，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度?；鼗鹚魇象w一般是馬氏體在高溫回火后產(chǎn)生的組織，試樣回火前組織形態(tài)應(yīng)該包含馬氏體，而按照一般經(jīng)驗(yàn)，40CrNi2Mo材質(zhì)屬于亞共析鋼，正火后組織以鐵素體+珠光體為主。重新選取正火處理后(回火處理前)試樣進(jìn)行金相組織分析。金相組織如圖4所示，組織為馬氏體+貝氏體。該種鋼合金元素含量較高，臨界冷卻速度較低，且試樣體積小，在空氣中冷卻速度快，在空氣中冷卻速度大于該種鋼臨界冷卻速度，得到馬氏體+貝氏體組織。

表3 正火+回火處理試樣性能

圖3 回火后試樣金相組織(回火索氏體+鐵素體)

圖4 正火后試樣金相組織(馬氏體+貝氏體)

3.3 調(diào)質(zhì)工藝

淬火加熱至890 ℃，保溫2 h，在不同冷卻介質(zhì)中冷卻，回火溫度選擇500、550和600 ℃進(jìn)行對比，保溫時(shí)間4 h。冷卻介質(zhì)使用水、水基淬火液、快速淬火油進(jìn)行對比。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)使用水進(jìn)行冷卻的試樣，全部開裂。水作為冷卻介質(zhì)，工件冷卻速度極快，工件內(nèi)外溫差相差很大，產(chǎn)生的膨脹也不盡相同以及在組織轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生膨脹和收縮，在工件內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致試樣開裂。說明此種材料淬裂傾向很大。使用水基淬火液有少數(shù)試樣開裂，通過調(diào)整控制水基淬火液成分及濃度，能很大程度減小試樣開裂比例。使用快速淬火油冷卻的試樣無開裂情況。調(diào)質(zhì)處理后試樣性能見表4。從表中可以看出使用水基淬火液和快速淬火油冷卻效果基本相同。

隨著回火溫度增加，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度減小，塑性增加，沖擊功增加?；鼗饻囟?50 ℃處理后材料綜合性能最好(見圖5和圖6)?？紤]到水基淬火液有試樣開裂情況，從工藝穩(wěn)定性考慮，快速淬火油是更好的選擇。

表4 調(diào)質(zhì)處理試樣性能

圖5 回火溫度對處理試樣性能影響(使用水基淬火液調(diào)質(zhì))

圖6 回火溫度對處理試樣性能影響(使用快速淬火油調(diào)質(zhì))

使用水基淬火液冷卻的試樣，金相組織為回火索氏體(見圖7)。使用快速淬火油冷卻的試樣，金相組織為回火索氏體+鐵素體(見圖8)。相比正火+回火工藝，調(diào)質(zhì)工藝處理試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增加。

圖7 水基淬火液調(diào)質(zhì)試樣的金相組織(回火索氏體)

圖8 快速淬火油調(diào)質(zhì)試樣的金相組織(回火索氏體+鐵素體)

從生產(chǎn)角度考慮2種冷卻介質(zhì)均存在一定局限。使用水基淬火液冷卻，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于該材料淬裂傾向大，對淬火液成分及濃度非常敏感，生產(chǎn)過程中，淬火液存在老化及污染等問題[6-7]，應(yīng)隨時(shí)檢測淬火液成分并進(jìn)行改良調(diào)整，否則工件易淬裂，不利于連續(xù)生產(chǎn)。而使用快速淬火油會產(chǎn)生空氣污染，根據(jù)相關(guān)政策，油淬生產(chǎn)正在逐步限制和取消，尤其是較大工件需使用的大型油池資源極少。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)ZG40CrNi2Mo使用正火+回火工藝熱處理，正火溫度對材料性能影響不大，回火溫度增加，強(qiáng)度下降，塑性增加，當(dāng)正火溫度為890 ℃+回火溫度550 ℃時(shí)，材料綜合性能最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 025 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到860 MPa，延伸率達(dá)到17.8%，常溫沖擊功KU2達(dá)到53.6 J，-40 ℃沖擊功KU2達(dá)到30.4 J。

2)ZG40CrNi2Mo使用淬火工藝熱處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)該材料淬裂敏感性高，使用水作為冷卻介質(zhì)，試樣全部開裂。水基淬火液和快速淬火油作為冷卻介質(zhì)材料性能基本一致。

3)ZG40CrNi2Mo使用淬火工藝熱處理，回火溫度550 ℃時(shí)，材料綜合性能最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 156 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1 034 MPa，延伸率達(dá)到12.5%，常溫沖擊功KU2達(dá)到53 J，-40 ℃沖擊功KU2達(dá)到22.5 J。