馬東良 劉佳佳 馬東輝 董道亮 尤鑫勝

(1.中建安裝工程有限公司一公司，山東250014；2.山東建澤混凝土有限公司，山東250101；3.中國建筑五局山東公司，山東250000)

La微合金化對42CrMo組織與性能的影響

馬東良1劉佳佳2馬東輝3董道亮1尤鑫勝1

(1.中建安裝工程有限公司一公司，山東250014；2.山東建澤混凝土有限公司，山東250101；3.中國建筑五局山東公司，山東250000)

在42CrMo鋼中分別加入不同量的La制取試樣，通過對晶粒度、金相組織、力學(xué)性能、斷口等進行分析，結(jié)果表明：加入少量稀土元素La，晶粒減小，組織得到細(xì)化，大大改善了力學(xué)性能。

42CrMo；微合金化；稀土元素

微合金鋼是添加了微量合金元素從而使鋼的一種或多種性能發(fā)生明顯有利變化的合金鋼[1]。

42CrMo鋼具有強度高，淬透性好，韌性好，熱變形小，低溫沖擊韌性好，蠕變強度和持久強度高等優(yōu)點，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限[2]和抗沖擊性能，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承、鉆頭、模具等行業(yè)。用微合金化技術(shù)提高性能與適用性，是42CrMo鋼的發(fā)展方向之一。

1 試驗材料與方法

試驗采用某鋼廠生產(chǎn)的42CrMo鋼坯，分別切取四組試塊進行重新熔煉，熔煉過程中分別加入不同含量的La，澆鑄后進行鍛造處理，始鍛溫度為1130℃，終鍛溫度為860℃。鍛造完畢后進行熱處理，其熱處理工藝曲線如圖1所示。

分別制取試樣，使用光譜儀檢測化學(xué)成分，使用苦味酸腐蝕后觀察晶粒度，使用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察金相組織，使用萬能試驗機測試力學(xué)性能，使用掃描電鏡進行斷口分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分

分別檢測試樣的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。可以看出，試樣的C、Si、Mn、Cr、Mo等元素含量相差無幾，La元素含量根據(jù)設(shè)計含量而不同。

圖1 熱處理工藝曲線

試樣編號CSiMnCrMoLa1#2#3#4#0.400.390.420.400.290.280.310.300.680.640.630.661.161.061.141.090.200.180.180.20-0.0290.0590.084

2.2 晶粒度

使用金相顯微鏡觀察晶粒度，各試樣的晶粒度圖片如圖2所示，晶粒度級別如表2所示。

從圖2中可以看出，隨La含量增加，晶粒逐漸變小，加入適量稀土元素La，可以明顯細(xì)化晶粒。因為La是一種表面活性元素，可使鋼液的過冷度增大，使形核驅(qū)動力和單位體積的形核數(shù)量增加[3]，從而限制了晶粒的長大。另外，La原子直徑較大，凝固過程中，為降低畸變能，碳原子向凝固前沿擴散，原本M23C6和M7C3型碳化物將變?yōu)镸C、M2C和M6C等類型的碳化物[4]，MC等類型的碳化物彌散分部于基體中，組織細(xì)化。

圖2 La微合金化42CrMo鋼試樣的晶粒形貌

試樣1#2#3#4#晶粒度6.0～7.57.58.08.5

此外，42CrMo中加入La后，原長條狀、大體積的MnS 夾雜物變成小直徑的球狀夾雜物，帶尖角的大型多棱角復(fù)合氧化夾雜物變?yōu)樾〕叽鐧E球形稀土復(fù)合夾雜物，分布也相對較均勻。

2.3 金相組織

使用金相顯微鏡觀察各試樣的顯微組織，各試樣的回火組織都是回火馬氏體，如圖3所示。

2.4 力學(xué)性能

添加稀土元素La后，42CrMo鋼的力學(xué)性能發(fā)生明顯變化，其試驗結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，添加稀土元素La后，42CrMo鋼的強度明顯提高了，且隨著稀土元素La含量增大，鋼的強度略有降低。添加稀土元素La后，42CrMo鋼的韌性也明顯提高了，隨著La含量增大，鋼的韌性先增大后略有減小，其中3#試塊的韌性最好。添加稀土元素La后，42CrMo鋼的硬度也提高了，但稀土元素La含量過高時，反而會降低42CrMo鋼的硬度。整體來說，2#試樣具有較好的綜合性能。

圖3 試樣的組織形貌

試樣ReMPaRmMPaA%Z%KVJ/cm2HRC1#2#3#4#1430172516951680161019001870185048.598.5123437.536.51323.524.523.550514948

添加La后，明顯提高了42CrMo鋼的強度，這是由于鋼塑性變形是通過位錯的滑移進行的，由于稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大，很容易填補在其晶粒及缺陷中，并生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長的膜，從而使晶粒細(xì)化，提高鋼的性能。由于降低了晶粒尺寸，增加了位錯通過晶界所需的能量，從而提高了鋼的屈服強度。同時稀土元素可以減輕鋼的顯微偏析，也能起到細(xì)化晶粒的作用，從而提高42CrMo鋼的強度和韌性。加入La后，原有夾雜物變?yōu)榍蛐位驒E球狀與基體結(jié)合良好、尺度減小的稀土復(fù)合夾雜物，在一定程度上消除了應(yīng)力集中點，減緩了裂紋的萌生與擴展，提高了鋼材的各向異性和沖擊性能。此外，加入La后，由于其原子直徑較大，所以La多偏聚在晶界處，填充了境界處的缺陷，并可以和晶界處的雜質(zhì)原子反應(yīng)以凈化晶界，也對改善鋼的強度、塑韌性有很大幫助。加入La后，可以提高過冷度從而細(xì)化晶粒，晶界前堆積的位錯會減少，裂紋形成的幾率大大降低，同時增大了裂紋擴展所需的能量[5]，裂紋在晶粒間傳播的阻力也大大增加，有利于提高塑韌性。而La含量過高時，形成了過多的稀土復(fù)合夾雜物，對提高鋼的強度和塑韌性都是有害的。

圖4 La微合金化42CrMo鋼試樣的斷口形貌

2.5 斷口分析

用掃描電鏡觀察沖擊試樣的斷口形貌，結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出，1#試樣斷口形貌為河流花樣，為解理斷裂；2#試樣的斷口形貌為比較明顯的河流花樣，撕裂棱較1#明顯增多，為解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂；3#試樣的斷口形貌為支流比較明顯的河流花樣，撕裂棱較2#有所增加，而且可以看見比較明顯的韌窩，為解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂；4#的撕裂棱比前幾個試樣少，韌窩也不明顯，為解理斷裂或準(zhǔn)解理斷裂。

3 結(jié)論

(1)42CrMo鋼中加入稀土元素La后，晶粒逐漸減小，組織逐漸細(xì)化。在稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.029%時，細(xì)化效果最好。

(2)42CrMo鋼中加入稀土元素La后，大大改善了鋼的力學(xué)性能，當(dāng)稀土元素La含量達(dá)到0.029%時，42CrMo鋼的綜合力學(xué)性能達(dá)到最好。

[1] 馬東良，劉佳佳，馬東輝. 微合金化元素對42CrMo鋼組織與性能的影響[J]. 中國重型裝備，2016(2)：40-42.

[2] 王社斌，李佳軍，尹樹春，等. 微量稀土元素對Q235B鋼組織和性能的影響[J]. 材料科學(xué)與工藝，2011，19(5)：79-89.

[3] 余宗森，褚幼義. 鋼中稀土[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1982.

[4] 趙曉棟，姜江，胡國棟，等. 稀土微合金化對5CrNiMo鋼組織和性能的影響[C]. 獲獎學(xué)術(shù)論文選編(2000-2001)：315-325.

[5] 趙莉萍，吳立凡，趙勇桃，等. 微量稀土La在1C23不銹鋼中的作用[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2010，22(3)：173-176.

編輯 陳秀娟

Influence of La Microalloying on Structure and Performance of 42CrMo

Ma Dongliang, Liu Jiajia, Ma Donghui, Dong Daoliang, You Qinsheng

Test specimens have been made by adding different amounts of La into 42CrMo, and by analyzing grain size, metallographic structure, mechanical performance, fracture and other indexes, it concluded that a little increment of rare earth element La could obtain smaller grain size and refining structure to improve mechanical performance of 42CrMo evidently.

42CrMo; microalloying; rare earth element

2016—12—27

馬東良(1984—)，男，碩士，工程師，現(xiàn)從事現(xiàn)場技術(shù)與管理工作。

TG142.1

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