JMatPro在42CrMo4鋼熱處理工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

代玉杰

(青島金鏈檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司,山東 青島 266705)

42CrMo4鋼作為一種優(yōu)質(zhì)中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,具有較高的淬透性,一般調(diào)質(zhì)處理后具有較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度以及良好的耐磨性和韌性,常用于制造齒輪、軸、螺栓和連接桿等關(guān)鍵的大尺寸零件[1-8]。42CrMo4鋼作為鏈條的鏈板,其在使用過程中承受著一定的動(dòng)載荷及沖擊載荷,因此對(duì)其疲勞性能要求比較高,熱處理工藝的制定就顯得尤為重要。JMatpro計(jì)算軟件是一套功能強(qiáng)大的金屬材料相圖計(jì)算與材料性能模擬軟件,可以用來計(jì)算金屬材料多相平衡與多種性能,廣泛應(yīng)用于相轉(zhuǎn)變的計(jì)算以及金屬材料的熱處理設(shè)計(jì)[9]。為此本文利用JMatpro計(jì)算軟件對(duì)42CrMo4合金鋼進(jìn)行相轉(zhuǎn)變和熱力學(xué)計(jì)算,研究42CrMo4合金鋼的熱力學(xué)和淬火性能等,為42CrMo4鋼鏈板的熱處理工藝制定提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 合金成分及熱力學(xué)計(jì)算

42CrMo4合金鋼的化學(xué)成分見表1。將表1中的成分輸入到JMatpro 軟件中進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,圖1為42CrMo4合金鋼的平衡相組成計(jì)算結(jié)果。由圖1可知,42CrMo4合金鋼液相線溫度為1492.4 ℃,在724 ℃以下主要由鐵素體(占93.63%)和滲碳體(占5.94%)組成,另外還有0.43% M23C6碳化物。奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度 Ac1為724 ℃、Ac3為770 ℃,當(dāng)溫度達(dá)到736 ℃時(shí),滲碳體完全溶解。

圖1 42CrMo4鋼平衡相組成Fig.1 Equilibrium phase composition of 42CrMo4 steel

表1 42CrMo4鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 42CrMo4 steel(mass fraction,%)

圖2為吉布斯自由能隨溫度變化曲線。由圖2可知,隨著溫度的升高,Cr、Mn、Mo等合金元素的吉布斯自由能總體呈線性趨勢(shì)降低;但在724 ℃發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí),C、Mn的自由能下降較快,而 Cr、Mo的自由能反而出現(xiàn)緩慢上升的現(xiàn)象;當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束后,所有合金元素的自由能繼續(xù)下降。

圖2 吉布斯自由能隨溫度變化曲線Fig.2 Change curve of Gibbs free energy with temperature

通過軟件的快捷鼠標(biāo)功能可以得到不同加熱速度時(shí)42CrMo4合金鋼的A1、A3以及奧氏體均勻化溫度和時(shí)間的關(guān)系,即合金的TTA圖[10],如圖3所示。表2為加熱速度對(duì)42CrMo4合金鋼奧氏體化參數(shù)的影響。由表2可知,隨著加熱速度的增加,合金的相變溫度均提高,奧氏體均勻化溫度也提高,奧氏體均勻化時(shí)間減少,即加熱速度越大,合金在高溫下的保溫時(shí)間減少。

圖3 42CrMo4合金鋼的TTA圖Fig.3 TTA diagram of 42CrMo4 alloy steel

表2 加熱速度對(duì)42CrMo4合金鋼奧氏體化參數(shù)的影響Table 2 Effect of heating speed on austenitizing parameters of 42CrMo4 alloy steel

熱處理加熱速度會(huì)受到工件結(jié)構(gòu)、合金熱導(dǎo)率和熱處理爐功率等多種因素的影響[11]。同時(shí),淬火溫度與A3溫度有關(guān),為保證合金完全奧氏體化又不引起奧氏體晶粒過分粗大,因此選取淬火溫度860 ℃。在42CrMo4合金鋼的CCT、TTT曲線計(jì)算時(shí),奧氏體化溫度均選擇為860 ℃,奧氏體化升溫速度選擇為30 ℃/min。

2 熱處理參數(shù)計(jì)算

2.1 TTT和 CCT曲線模擬計(jì)算

TTT 曲線(C曲線)是反映過冷奧氏體等溫冷卻時(shí),轉(zhuǎn)變產(chǎn)物類型以及轉(zhuǎn)變量與時(shí)間、溫度之間的關(guān)系曲線[12]。圖4為42CrMo4合金鋼的TTT曲線。由圖4可知,42CrMo4合金鋼在奧氏體化后冷卻時(shí)開始析出鐵素體的溫度為769.3 ℃,珠光體開始析出的溫度為741.9 ℃,貝氏體開始析出的溫度為563.8 ℃,馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度為320 ℃,轉(zhuǎn)變結(jié)束的溫度為201.8 ℃。42CrMo4合金鋼的 TTT 曲線中有兩個(gè)“鼻尖”,一個(gè)為珠光體轉(zhuǎn)變,另一個(gè)為貝氏體轉(zhuǎn)變。珠光體“鼻尖”溫度為620 ℃,在此溫度持續(xù)保溫35 s后開始析出珠光體,保溫477 s后全部轉(zhuǎn)換成珠光體。貝氏體“鼻尖”轉(zhuǎn)變溫度為480 ℃,在此溫度持續(xù)保溫3.5 s后開始析出貝氏體,保溫82 s后全部轉(zhuǎn)換成貝氏體。

圖4 42CrMo4合金鋼的TTT曲線Fig.4 TTT curve of 42CrMo4 alloy steel

CCT曲線可綜合反映過冷奧氏體在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)變量之間的關(guān)系,是分析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織與性能的依據(jù),也是制定熱處理工藝的重要參考資料[13]。圖5為 42CrMo4合金鋼的CCT曲線,表3為不同冷卻速度下42CrMo4合金鋼的力學(xué)性能與相組織含量。根據(jù)表3數(shù)據(jù)顯示,要想獲得馬氏體,臨界冷卻速度必須大于10 ℃/s。

圖5 42CrMo4合金鋼CCT曲線Fig.5 CCT curve of 42CrMo4 alloy steel

表3 不同冷卻速度下42CrMo4鋼的力學(xué)性能與相組織含量Table 3 Mechanical properties and phase structure content of 42CrMo4 steel at different cooling rates

2.2 Jominy 淬透性模擬計(jì)算

淬透性是指鋼在一定條件下淬火時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力,通常采用末端淬火試驗(yàn)測(cè)定鋼的淬透性[14]。冷卻速度是決定馬氏體轉(zhuǎn)變量的關(guān)鍵因素,越靠近中心,冷卻速度越慢,馬氏體轉(zhuǎn)變量越少,一般規(guī)定從表面到50%非馬氏體深度的距離稱為淬硬層深度[15]。

圖6為42CrMo4合金鋼力學(xué)性能隨端面距離的變化曲線。由圖6可知,在淬火端表面,42CrMo4合金鋼的強(qiáng)度和硬度值最高,屈服強(qiáng)度為1939.03 MPa,抗拉強(qiáng)度為2122.03 MPa,硬度為59.15 HRC。隨著距離淬火端表面距離的增大,42CrMo4合金鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度均逐漸降低。在距離端面0.5～2.0 cm時(shí),強(qiáng)度和硬度急劇下降,在距離端面2.0 cm時(shí),硬度下降到39.85 HRC;當(dāng)距離端面超過2.0 cm時(shí),強(qiáng)度和硬度的下降速度趨于平穩(wěn)。

圖6 42CrMo4合金鋼力學(xué)性能隨端面距離的變化曲線Fig.6 Change curve of mechanical properties with end face distance for 42CrMo4 alloy steel

圖7為42CrMo4合金鋼相組成隨端面距離變化曲線。由圖7可知,在淬火端表面,42CrMo4合金鋼中馬氏體含量最高,馬氏體含量的高低直接影響鋼的強(qiáng)度和硬度。隨著距離端面距離的增大,馬氏體的含量逐漸降低,貝氏體的含量逐漸升高,當(dāng)距離端面0.8 cm左右時(shí),馬氏體和貝氏體的含量幾乎相等。而隨著距離淬火端面距離的增大,鐵素體和珠光體的含量逐漸增加。

圖7 42CrMo4合金鋼相組成隨端面距離的變化曲線Fig.7 Change curve of phase composition with end face distance for 42CrMo4 alloy steel

2.3 回火工藝參數(shù)

圖8為不同回火工藝對(duì)42CrMo4合金鋼硬度的影響。由圖8可知,隨著回火溫度的提高,42CrMo4合金鋼的硬度逐漸降低;隨著回火時(shí)間的延長,其硬度也逐漸降低。

圖8 回火工藝對(duì)42CrMo4合金鋼硬度的影響Fig.8 Effect of tempering process on hardness of 42CrMo4 alloy steel

3 42CrMo4合金鋼鏈板熱處理工藝

3.1 淬火溫度和保溫時(shí)間

鏈板在鏈條使用過程中承受交變拉伸、彎曲和沖擊載荷,在鉸鏈傳動(dòng)時(shí)鏈板還產(chǎn)生側(cè)向摩擦,因此鏈板應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能。對(duì)于普通的調(diào)質(zhì)熱處理,淬火溫度會(huì)選取該材質(zhì)Ac3以上50～100 ℃,但在熱處理過程中為了防止加熱不足或提升加熱速度,通常會(huì)選擇溫度上限作為淬火溫度。根據(jù)42CrMo4合金鋼熱力學(xué)計(jì)算得到Ac3為770 ℃,因此42CrMo4合金鋼鏈板的淬火溫度設(shè)定為860 ℃。熱處理的碳勢(shì)根據(jù)42CrMo4合金鋼的含碳量設(shè)定為0.45。熱處理設(shè)備為連續(xù)式網(wǎng)帶爐,一般網(wǎng)帶爐的加熱速度是1 mm/min,當(dāng)鋪料厚度為30 mm時(shí),只需要30 min就可以熱透;另外,奧氏體化時(shí)間為10 min,因此保溫時(shí)間最短只需要40 min。

3.2 回火溫度和時(shí)間

鏈板硬度要求為45～50 HRC,根據(jù)圖8選取回火溫度為350±10 ℃,保溫時(shí)間120 min。42CrMo4合金鋼鏈板的熱處理工藝參數(shù)見表4。

表4 鏈板熱處理工藝參數(shù)Table 4 Heat treatment process parameters of chain plate

3.3 硬度與組織

熱處理后隨機(jī)抽取10件42CrMo4合金鋼鏈板進(jìn)行硬度檢測(cè),硬度值為47～48 HRC,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且硬度均勻、散差小。42CrMo4合金鋼鏈板的金相組織為均勻細(xì)致的回火屈氏體,無異常組織,如圖9所示。

圖9 鏈板的金相組織 Fig.9 Microstructure of chain plate

4 結(jié)論

1) 通過JMatpro軟件計(jì)算,42CrMo4合金鋼的奧氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度 Ac1為724 ℃、Ac3為770 ℃,隨著加熱速度的增加,合金的相變溫度均提高,奧氏體均勻化溫度也提高,奧氏體均勻化時(shí)間減少。

2) 通過JMatpro軟件計(jì)算,獲得了42CrMo4合金鋼TTT曲線和CCT曲線,要獲得馬氏體,其臨界冷卻速度必須大于10 ℃/s。

3) 通過JMatpro軟件計(jì)算,獲得了42CrMo4合金鋼淬透性曲線以及回火溫度和時(shí)間對(duì)42CrMo4合金鋼硬度的影響。

4) 42CrMo4合金鋼鏈板熱處理工藝為860 ℃淬火保溫40 min、350 ℃回火保溫120 min,熱處理后其硬度為47～48 HRC,組織為均勻細(xì)致的回火屈氏體,滿足設(shè)計(jì)要求。