42CrMoVNb鋼的熱處理工藝優(yōu)化及力學(xué)性能

韓貴生, 張學(xué)敏, 李海濤, 樊帥奇, 戴姣燕, 徐金富,

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710061; 2. 寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211)

近年來(lái),高強(qiáng)度螺栓朝著更高等級(jí)的方向發(fā)展。目前,研發(fā)14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓已成為研究熱點(diǎn),其技術(shù)指標(biāo)為硬度44～47 HRC、抗拉強(qiáng)度1400～1500 MPa、屈服強(qiáng)度≥1300 MPa、屈強(qiáng)比≥0.9、斷后伸長(zhǎng)率≥8%、斷面收縮率≥44%和-20 ℃低溫沖擊吸收能量≥27 J[1-2]。由于強(qiáng)度等級(jí)提高,12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓常用的42CrMo鋼已不能滿足其性能要求[3]。鋼鐵研究總院研發(fā)的ADF鋼在1300 MPa級(jí)強(qiáng)度下韌性和耐延遲斷裂性能較42CrMo鋼相比得到大幅度的提升[4]。王磊等[5]選用自主設(shè)計(jì)的42CrMoVNb鋼-NJ鋼用于制作14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓,取得了較好的效果。燕友增等[6]研究了淬火和回火溫度對(duì)42CrMoVNb鋼韌性的影響,指出韌性不受彌散強(qiáng)化的影響,而與Mo和V碳化物的共格析出有關(guān),可以通過(guò)提高回火溫度大幅度提升材料的韌性。本文選用42CrMoVNb鋼棒料,通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝方案,使其力學(xué)性能滿足14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的技術(shù)指標(biāo)要求,為研發(fā)14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓提供材料依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼為42CrMoVNb鋼熱軋態(tài)棒料,其化學(xué)成分如表1所示[8]。硬度試樣尺寸為φ20 mm×20 mm;按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》及GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣,尺寸為φ16 mm×200 mm;按照GB/T 3098.1—2010中9.14節(jié)和GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》制作標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣,尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,V型槽深2 mm。

表1 42CrMoVNb鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)[8]

1.2 試驗(yàn)方法

利用MFLC-7/12箱式馬弗爐進(jìn)行單因素淬火+回火試驗(yàn),并用L9(34)正交試驗(yàn)法優(yōu)化熱處理工藝參數(shù),試驗(yàn)采用到溫裝爐方式,淬火冷卻方式為油冷(OC),淬火介質(zhì)為DN QUENCH B淬火油,回火冷卻方式為空冷(AC)。利用AXIO Observer ZIM光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織;利用HR-150A洛氏硬度測(cè)試儀檢測(cè)試樣硬度;利用JXYB605C萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)依據(jù)GB/T 228.1—2021進(jìn)行拉伸試驗(yàn);利用PTM2152-C金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)依據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行-20 ℃低溫沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果均取3次測(cè)量的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

保持淬火保溫時(shí)間18 min、400 ℃×2 h回火不變的前提下,研究淬火溫度對(duì)硬度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),隨著淬火溫度在820～900 ℃范圍內(nèi)的升高,淬火和回火后的硬度基本保持不變。淬火溫度偏低會(huì)導(dǎo)致奧氏體化程度不足,材料無(wú)法淬硬。淬火溫度偏高會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化,淬火后產(chǎn)生的馬氏體板條束尺寸隨之增大,使材料的硬度和韌性降低[9]。合適的淬火溫度可使合金元素的碳化物充分固溶在奧氏體中,得到較好的強(qiáng)韌性匹配。因此,在保證試樣充分奧氏體化的前提下,選取820～860 ℃為最優(yōu)試驗(yàn)淬火溫度范圍。

圖1 淬火溫度對(duì)42CrMoVNb鋼硬度的影響

保持840 ℃×18 min淬火、回火時(shí)間2 h不變的前提下,研究回火溫度對(duì)硬度的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨著回火溫度在400～460 ℃范圍內(nèi)的升高,材料的硬度隨之降低。這是由于在回火過(guò)程中,組織中的淬火馬氏體發(fā)生分解,過(guò)飽和的碳化物從基體中析出,淬火馬氏體逐漸向回火屈氏體進(jìn)行轉(zhuǎn)變,隨著回火溫度的升高,碳元素的活性和擴(kuò)散速率逐漸增加,馬氏體向回火屈氏體的轉(zhuǎn)變更為充分,碳對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用逐漸減小,與此同時(shí)組織中的位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力也大幅度降低,基體趨于軟化,宏觀上表現(xiàn)為硬度和強(qiáng)度的降低[10-11]。除460 ℃回火試樣外,其余試樣硬度均在44～47 HRC范圍內(nèi)。因此,選取400～440 ℃為最優(yōu)試驗(yàn)回火溫度范圍。

圖2 回火溫度對(duì)42CrMoVNb鋼硬度的影響(840 ℃×18 min油冷)

2.2 熱處理工藝優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,利用L9(34)正交試驗(yàn)對(duì)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化,其中因素A為淬火溫度,取820、840和860 ℃三水平;因素B為淬火保溫時(shí)間,取15、20和25 min三水平;因素C為回火溫度,取400、420和440 ℃三個(gè)水平;因素D為回火時(shí)間,取100、120和150 min三水平;分別以-20 ℃沖擊吸收能量、硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。

表2 42CrMoVNb鋼正交試驗(yàn)結(jié)果

圖3(a1～d1)為淬火回火工藝參數(shù)對(duì)42CrMoVNb鋼-20 ℃低溫沖擊性能的影響。由圖3(a1, c1)可見(jiàn),-20 ℃ 低溫沖擊吸收能量隨淬火溫度和回火溫度的增加而增加。淬火溫度升高會(huì)促進(jìn)合金元素溶入奧氏體中,從而提高材料的沖擊性能;回火溫度的升高,會(huì)導(dǎo)致馬氏體過(guò)飽和度下降,碳化物以細(xì)小顆粒形式析出,使裂紋在擴(kuò)展中所需的臨界應(yīng)力提高[12],而且相關(guān)研究[13]表明,隨著回火溫度的升高,馬氏體中的亞結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)會(huì)逐漸減少,并且伴隨α鐵素體回復(fù)的發(fā)生,這些演變均會(huì)使組織中大角度晶界增加,使晶粒間的位相差變大,阻礙裂紋的擴(kuò)展,從而提高材料的低溫沖擊性能。由圖3(b1)可見(jiàn),保溫時(shí)間對(duì)低溫沖擊性能的影響不大。由圖3(d1)可見(jiàn),隨著回火時(shí)間的增加,-20 ℃低溫沖擊吸收能量呈先小幅度降低后升高的趨勢(shì),在回火時(shí)間達(dá)到120 min后,適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間可提升材料低溫沖擊性能。在充分奧氏體化的前提下,保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)導(dǎo)致工件表面氧化、晶粒粗大、能耗高等負(fù)面影響。因此,以低溫沖擊性能為指標(biāo)時(shí),最優(yōu)淬火回火工藝為860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

圖3(a2～d2)為淬火回火工藝參數(shù)對(duì)42CrMoVNb鋼硬度的影響。由圖3(a2, b2)可見(jiàn),淬火溫度和淬火保溫時(shí)間對(duì)硬度的影響不大;由圖3(c2)可見(jiàn),隨著回火溫度的升高,硬度逐漸下降;由圖3(d2)可見(jiàn),隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng),硬度基本保持不變。因此,以硬度為指標(biāo)時(shí),最優(yōu)淬火回火工藝為840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×100 min,空冷。

圖3(a3～d3)為淬火回火工藝參數(shù)對(duì)42CrMoVNb鋼強(qiáng)度的影響。由圖3(a3)可見(jiàn),屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨著淬火溫度的升高呈先增后降的趨勢(shì),在840 ℃時(shí)達(dá)到最高;由圖3(b3)可見(jiàn),淬火保溫時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不大;由圖3(c3)可見(jiàn),隨著回火溫度的升高,強(qiáng)度逐漸下降;由圖3(d3)可見(jiàn),回火時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響不大。因此,以強(qiáng)度為指標(biāo)時(shí),最優(yōu)淬火回火工藝為840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×150 min,空冷。

圖3 淬火回火工藝參數(shù)對(duì)42CrMoVNb鋼力學(xué)性能的影響

綜上,在3種最優(yōu)熱處理工藝條件下,硬度和強(qiáng)度指標(biāo)均能滿足14.9級(jí)高強(qiáng)螺栓的標(biāo)準(zhǔn)要求,而工藝1的-20 ℃低溫沖擊性能最高。因此,最終選取860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷為最優(yōu)的熱處理工藝。

2.3 最優(yōu)工藝下的顯微組織和力學(xué)性能

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,42CrMoVNb鋼經(jīng)860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的顯微組織見(jiàn)圖4,力學(xué)性能見(jiàn)表3。由圖4可見(jiàn),其組織為回火屈氏體基體上彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒;由表3可見(jiàn),其硬度、強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、塑性、-20 ℃低溫沖擊性能均可達(dá)到14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 42CrMoVNb鋼經(jīng)860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的力學(xué)性能

圖4 42CrMoVNb鋼經(jīng)860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的顯微組織

3 結(jié)論

1) 淬火溫度和淬火保溫時(shí)間對(duì)42CrMoVNb鋼的硬度和強(qiáng)度影響不大;隨著回火溫度的升高和回火時(shí)間的延長(zhǎng),42CrMoVNb鋼的硬度逐漸降低;隨著回火溫度的升高,42CrMoVNb鋼的強(qiáng)度逐漸降低;隨著淬火溫度、回火溫度的升高,42CrMoVNb鋼的-20 ℃低溫沖擊性能逐漸提高,回火時(shí)間達(dá)到120 min后,適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間可提升42CrMoVNb鋼的-20 ℃低溫沖擊性能。最優(yōu)淬火回火工藝為860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

2) 42CrMoVNb鋼經(jīng)最優(yōu)淬火回火工藝處理后的組織為回火屈氏體基體上彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒,硬度44.5 HRC,抗拉強(qiáng)度1467 MPa,屈服強(qiáng)度1357 MPa,屈強(qiáng)比0.93,斷后伸長(zhǎng)率10.5%,斷面收縮率46%,-20 ℃低溫沖擊吸收能量27.1 J,力學(xué)性能滿足14.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓的技術(shù)指標(biāo)要求。