羅 明，宛 農，楊新武

(武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢430023)

42CrMoS4鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。如果熱處理工藝不當，會使鍛材屈服強度和沖擊韌性指標得不到充分的發(fā)揮，不能滿足技術指標。對于這種常見的圓鋼鍛材有必要探索其出現(xiàn)問題的原因，優(yōu)化其工藝參數(shù)。

1 主要生產技術要求及制造過程

42CrMoS4鋼的生產技術要求按EN10083－1標準中規(guī)定選取。其化學成分(質量百分數(shù))要求如表1所示，調制后的力學性能要求如表2所示，晶粒度根據ASTM檢測標準要求≥5級。42CrMoS4圓鋼鍛材的主要工藝流程為:45tEBT—50tLF—50tVD—模鑄—鋼錠紅送加熱—鍛造—鍛后快冷+退火—調質+校直—取樣探傷—檢測硬度+力學性能—入庫。

表1 42CrM oS4鋼的化學成分要求 /%

表2 42CrM oS4鋼的力學性能要求

2 常規(guī)熱處理工藝分析

雖然42CrMoS4鋼淬透性較好，但對大型圓鋼鍛材進行常規(guī)熱處理時，往往由于局部成分偏析產生組織遺傳，心部未淬透而導致力學性能不佳，尤其對截面尺寸大于φ360 mm的圓鋼鍛材更為明顯。對于42CrMoS4鋼鍛造而成的大型圓鋼鍛材，奧氏體化后通常采用油冷的方式，按照常規(guī)熱處理工藝(如圖1所示)，處理后有時晶粒較粗大，同時伴有魏氏組織等組織缺陷，如圖2所示;力學性能也不滿足要求，多次熱處理也難以消除，如圖3所示。

圖1 常規(guī)熱處理工藝曲線

圖2 常見的組織缺陷

圖3 二次調質的金相組織(×500)

42CrMoS4屬于進口鋼，類似于國內GB/T3077里的42CrMo(德標42CrMo4)鋼，但是增加了硫的要求。42CrMo鋼化學成分與42CrMoS4鋼大致相同，對大型42CrMo鋼的研究有助于了解、分析以及改善42CrMoS4鋼熱處理工藝。淬火溫度以及冷卻方式對42CrMo鋼性能有很大的影響，淬火溫度直接影響到奧氏體化晶粒的大小，合金元素的溶解度，對組織的均勻性起作用。不同的冷卻條件下，得到的組織也有明顯區(qū)別，隨著冷卻速度的增加，會依次出現(xiàn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體、上貝氏體及板條馬氏體的混合組織。溫度過高，冷卻速度快就會形成網狀鐵素體，在高溫區(qū)冷卻速度慢會形成塊狀鐵素體，影響鋼的力學性能［1］。大型42CrMo鋼一般采用水冷+油淬的冷卻方式，利用水冷在高溫區(qū)的強冷卻能力和油在低溫區(qū)的較緩慢冷卻速度，以達到理想的冷卻特征。王明禮等［2］對42CrMo鋼進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化，研究了淬、回火溫度對常規(guī)力學性能及沖擊功的影響，其研究結果表明，淬火溫度不宜超過840℃，在840±10℃淬火，在630±10℃回火處理時，可以提高低溫沖擊功和常溫力學性能，其中淬火介質為2%—5%的高分子水劑。劉國平等［3］對42CrMo4鋼的淬火研究發(fā)現(xiàn)，將淬火溫度從860℃降低到810℃，同時采用水淬油冷的方式可以提高其低溫沖擊性能。阮大鵬等［4］對大型的42CrMo鋼采用840—860℃的淬火溫度，并采用水冷+空冷+水冷+油冷的復合冷卻方式，提高了芯軸的綜合力學性能。

對42CrMoS4大型圓鋼鍛材常規(guī)熱處理工藝采用的淬火溫度與上述文獻中對42CrMo鋼淬火溫度相近，但是其調質組織不好，力學性能不滿足要求。這主要與冷卻方式及淬火介質有關，根據文獻［5］對42CrMoS4大型圓鋼鍛材采用預冷，水—空氣雙介質循環(huán)控時淬火冷卻技術的調質工藝，不僅可以省去油冷，還可以提高力學性能。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

根據42CrMoS4鋼化學成分，由 Thermo－calc熱力學軟件計算出相的質量分數(shù)與溫度的關系，如圖4所示。由于一般大型42CrMoS4圓鋼鍛材力學性能要求不是很高，沒有必要進行奧氏體再結晶，可以直接進行亞溫淬火。亞溫淬火時加熱溫度低，存在一部分未溶鐵素體，可以阻止奧氏體晶粒長大，對細化晶粒有利，并且晶粒細化所提高的強度部分彌補了因為保留少量鐵素體而引起的強度下降。同時采用亞溫淬火比常規(guī)淬火溫度低，可以降低能耗，節(jié)約生產成本。

在亞溫淬火前，需要完全奧氏體化使成分均勻，為亞溫淬火做準備。但是加熱溫度不宜過高，避免晶粒長大造成亞溫淬火組織不佳。

圖4 42CrMoS4鋼相的質量分數(shù)與溫度的關系

從圖4中可以看出，Ac3點的溫度在780℃左右，首先將其加熱到840℃完全奧氏體化，然后空冷到780℃左右，再升溫到810℃亞溫淬火，其熱處理工藝如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的淬火工藝

在加熱到840℃奧氏體化后，降低到兩相區(qū)等溫一段時間。在臨界區(qū)高溫側等溫有利于形成球狀奧氏體，對消除組織遺傳有效，避免魏氏組織，然后在810℃亞溫淬火，在細化組織晶粒同時獲得良好的力學性能。降低溫度至雙相區(qū)后升溫到亞溫處淬火，這樣可以避免從上進入臨界區(qū)的方式，改變未溶鐵素體的形態(tài)。中原特鋼采用上述優(yōu)化工藝，實際處理截面尺寸為φ360 mm和φ420 mm的圓鋼鍛材的金相組織如圖6所示。

圖6 處理的金相組織圖片

從圖6中可以看出，組織細小均勻，晶粒度根據ASTM標準評級7級左右，檢測的力學性能結果如表3所示，滿足生產要求。

表3 力學性能檢測結果

4 結束語

對于42CrMoS4類力學性能要求不是很高的大型圓鋼鍛材，可以通過亞溫淬火來細化晶粒。在淬火之前先加熱到完全奧氏體溫度預熱，然后空冷至雙相區(qū)等溫一段時間，然后升溫進行亞溫淬火處理。

采用Thermo－calc軟件進行熱力學計算，為亞溫淬火溫度提供依據，可以減少試驗次數(shù)，節(jié)約時間和成本。

［1］余德河.冷卻條件對42CrMo鋼的組織和性能的影響［J］.冶金叢刊，2010(12):4-6.

［2］王明禮，王麗霞，陳翠麗.風電軸承用42CrMo鋼調質工藝參數(shù)的優(yōu)化［J］.軸承，2012(2):15-17.

［3］劉國平，王國棟，陳國紅，等.42CrMo4風電主軸熱處理工藝改進［J］.大型鑄鍛件，2008(1):31-32.

［4］阮大鵬，劉時雨.42CrMo材料大型芯軸調質熱處理工藝研究［J］.金屬加工:熱加工，2012(1):37-39.

［5］陸伯昌，裴鳳琴.42CrMoA鋼拉桿軸熱處理工藝改進［J］.熱處理技術與裝備，2012，33(1):15-17.