回火工藝對42CrMo4合金鋼組織和性能的影響

張修銘,江 涌,劉晨虹,王子謙

(1.浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全科學(xué)研究院,浙江 杭州 310000;2.浙江省方圓檢測集團(tuán)股份有限公司,浙江 杭州 310000)

隨著我國在汽車、船舶和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域的快速發(fā)展,高性能鋼鐵材料的需求日益增加。相較于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,合金鋼具有更高的強(qiáng)度和韌性[1-4]。42CrMo4鋼因其具有較高的屈強(qiáng)比、淬透性和低溫沖擊韌性等,被廣泛用于生產(chǎn)傳動(dòng)齒輪、高負(fù)荷軸和連桿等服役環(huán)境苛刻的零部件[5-9]。

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對42CrMo系列合金鋼開展了大量研究。陳俊丹等[10]研究了回火溫度對42CrMo合金鋼微觀組織和沖擊韌性的影響,結(jié)果表明:淬火42CrMo合金鋼在500～650 ℃回火后,微觀組織為回火索氏體,沖擊韌性先增大后減小;經(jīng)600 ℃回火后,沖擊韌性達(dá)到峰值104 J;同時(shí)發(fā)現(xiàn)碳化物粗化會(huì)導(dǎo)致42CrMo合金鋼的沖擊韌性降低。鄭馨秋等[11]對42CrMo4合金鋼調(diào)質(zhì)后進(jìn)行亞溫淬火熱處理,發(fā)現(xiàn)42CrMo4合金鋼的強(qiáng)度、斷面收縮率和伸長率基本保持不變的同時(shí)沖擊韌性明顯提高。張維等[12]等研究了超聲波淬火對42CrMo4合金鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)超聲波淬火能有效提高常規(guī)油淬和水淬的效果,隨著超聲波功率的增大,組織中的粒狀貝氏體和鐵素體含量降低,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高,而伸長率和沖擊韌性有所降低。高紅梅等[13]對含有回火貝氏體的42CrMo4合金鋼進(jìn)行了低溫和室溫拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)42CrMo4合金鋼的強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度的降低而提高,但伸長率和斷面收縮率沒有明顯變化;隨著回火索氏體含量的減少、回火貝氏體含量的增加,42CrMo4合金鋼的硬度和強(qiáng)度大幅下降。

前期研究結(jié)果表明,熱處理工藝對42CrMo4合金鋼的綜合性能有很大的影響。本文通過對42CrMo4合金鋼進(jìn)行淬火和回火熱處理,研究了回火溫度對42CrMo4合金鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響,對42CrMo4合金鋼的熱處理工藝制定和強(qiáng)韌化具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用中頻感應(yīng)爐熔煉42CrMo4合金鋼,熔煉溫度為1680 ℃,時(shí)間為3 h。采用砂型鑄造方式得到20 kg鑄錠,澆注溫度為1540 ℃,其化學(xué)成分見表1。鑄錠經(jīng)高溫均勻化處理后,鍛造成截面為30 mm×30 mm的棒材,然后在1000 ℃保溫3 h,其原始組織為珠光體,如圖1所示。使用馬弗爐進(jìn)行淬火和回火熱處理,熱處理工藝如圖2所示。對合金鋼試樣進(jìn)行奧氏體化處理,奧氏體化溫度為927 ℃,保溫時(shí)間為60 min,油冷至室溫;再分別在204、316、371、427和482 ℃溫度下回火保溫60 min,空冷至室溫。

表1 42CrMo4合金鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

圖1 42CrMo4合金鋼原始組織

圖2 42CrMo4合金鋼熱處理工藝

利用線切割機(jī)切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,經(jīng)200～2000目砂紙打磨、金剛石拋光膏拋光后,使用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,采用SG-13XD倒置金相顯微鏡觀察微觀組織。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1—2018,采用HRS-150M硬度計(jì)測量試樣的洛氏硬度,每個(gè)試樣測量三次,取平均值。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010,采用WDW-HGD萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每組試驗(yàn)測試三次取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 微觀組織

圖3為42CrMo4合金鋼熱處理后的微觀組織。淬火后試樣的組織主要為板條狀馬氏體、少量針葉狀馬氏體和殘余奧氏體,見圖3(a)。204 ℃低溫回火后,試樣內(nèi)部原子的活動(dòng)能力有所增加,但馬氏體仍保持原始形態(tài),微觀組織沒有明顯變化,見圖3(b)。316 ℃回火后,馬氏體和殘余奧氏體減少,回火馬氏體增多,并析出少量滲碳體和粒狀合金碳化物,見圖3(c)。當(dāng)回火溫度升高到371～482 ℃時(shí),馬氏體和殘余奧氏體繼續(xù)分解,滲碳體和粒狀合金碳化物數(shù)量增加、尺寸增大,馬氏體的原始形態(tài)已經(jīng)基本消失,見圖3(d)、3(e)和3(f)。

(a)淬火;(b) 204 ℃回火;(c) 316 ℃回火;(d) 371 ℃回火;(e) 427 ℃回火;(f) 482 ℃回火

2.2 力學(xué)性能

圖4為42CrMo4合金鋼的力學(xué)性能。熱處理前試樣的硬度為25.2 HRC,屈服強(qiáng)度為683 MPa,抗拉強(qiáng)度為894 MPa,伸長率為9.6%。淬火后試樣的硬度為59.7 HRC,屈服強(qiáng)度為1808 MPa,抗拉強(qiáng)度為2213 MPa,伸長率為8.5%。隨著回火溫度的升高,試樣的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸減少,而伸長率則逐漸增大。

(a)洛氏硬度;(b)屈服強(qiáng)度;(c)抗拉強(qiáng)度;(d)伸長率

3 結(jié)論

1)淬火后42CrMo4合金鋼的組織主要為板條狀馬氏體、少量的針葉狀馬氏體和殘余奧氏體,硬度由25.2 HRC提高至59.7 HRC,屈服強(qiáng)度由683 MPa提高至1808 MPa,抗拉強(qiáng)度由894 MPa提高至2213 MPa,伸長率從9.6%降低至8.5%;

2)隨著回火溫度的升高,組織中的原始馬氏體組織逐漸消失,殘余奧氏體含量減少,同時(shí)析出滲碳體和粒狀合金碳化物;硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸減少,而伸長率則逐漸增大。