牛 震，孟祥英

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備零部件的要求和材料的替代不斷在進(jìn)行更新。42CrMo4就是其中之一，目前廣泛應(yīng)用于汽車牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、和石油深井鉆桿與打撈工具等關(guān)鍵部位，由于這些關(guān)鍵部位零件應(yīng)用的環(huán)境地點(diǎn)越來越廣泛，例如高氣壓條件、高寒條件等等，因此，探討此類大鍛件調(diào)制后的組織與其機(jī)械性能就顯得尤為重要。

1 工藝步驟及制定

1.1 工藝路線

電爐爐冶煉+LF+VD→澆注鋼錠→熱送或冷緩→鋼錠加熱→鍛造→預(yù)處理→探傷→加工→調(diào)質(zhì)→取樣→檢測(cè)。

1.2 冶煉

采用LF精煉+VD真空，澆注時(shí)要將模具中的雜物吹凈，減少鋼錠中的雜質(zhì)成分，如表1所示[1]。

表1 根據(jù)國標(biāo)中的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)料成分對(duì)比（%）

1.3 鍛造要求

由于此次實(shí)驗(yàn)要求檢驗(yàn)直徑630的42CrMo4圓鋼，為保證產(chǎn)品的宏觀質(zhì)量，故采用鐓粗與大下壓量相結(jié)合的方式生產(chǎn)。

1.4 黑皮探傷

黑皮探傷的目的是確定坯料頭部和尾部質(zhì)量，同時(shí)檢測(cè)其坯料內(nèi)部是否存在宏觀缺陷，對(duì)后續(xù)調(diào)質(zhì)是否產(chǎn)生影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 淬火

對(duì)此圓鋼采用水淬油冷的方法進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火液采用水，淬火工藝如圖1所示[2]。

淬火采用水空冷卻當(dāng)躲過鼻尖后再用油冷至室溫，再進(jìn)行回火工藝。

圖1 淬火工藝

2.2 回火

回火采用高溫回火既能獲得較強(qiáng)屈服的同時(shí)又能保證其韌性，工藝如圖2所示。

3 取片

對(duì)調(diào)質(zhì)后的鍛件取橫向片，對(duì)試樣用4%硝酸酒精溶液侵蝕，用METAVAL金相顯微鏡觀察金相組織，從工件邊緣一直觀察到心部。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

0～10 mm，回火索氏體。

11～15 mm，回火索氏體+少量上貝氏體。

16～20 mm，回火索氏體+少量鐵素體。

21～50 mm，回火索氏體+塊狀鐵素體。

51～130 mm，回火索氏體+塊狀鐵素體+珠光體。

131到中心，片狀珠光體+網(wǎng)狀+塊狀鐵素體。

圖2 回火工藝

距表面25.4 mm和80 mm和112.5 mm和心部的金相組織（500X）分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

截面處3個(gè)不同位置的機(jī)械性能作分析如表2所示。

5 討論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在42CrMo4截面中主要的產(chǎn)物有上貝氏體、鐵素體、塊狀鐵素體、和珠光體、網(wǎng)狀鐵素體。

上貝氏體：上貝氏體的產(chǎn)生可能是由于淬火時(shí)空冷使在淬火時(shí)得到了少量上貝氏體，也可能是由于回火時(shí)在中溫區(qū)保溫室殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變進(jìn)而得到上貝氏體。

鐵素體、塊狀鐵素體與網(wǎng)狀：主要是因?yàn)閵W氏體均勻程度及冷卻速度有關(guān)，同時(shí)還與偏析有一定的關(guān)系。當(dāng)工件加熱到奧氏體溫度時(shí)，鐵素體還未來得及擴(kuò)散達(dá)到均勻奧氏體化時(shí)。若保溫時(shí)間不足，奧氏體沒有完全達(dá)到均勻化，在冷卻時(shí)鐵素體極易析出，回火時(shí)仍保留原來的形態(tài)造成網(wǎng)狀或塊狀鐵素體。

圖3 42CrMo4 25.4 mm處組織（500X）回火索氏體

圖4 42CrMo4 25.4mm處組織（500X）回火索氏體+鐵素體

圖5 42CrMo4 112.5 mm處組織（500X）回火索氏體+塊狀鐵素體

圖6 42CrMo4心部組織（500X）片狀珠光體+網(wǎng)狀+塊狀鐵素體

表2 不同位置的機(jī)械性能

珠光體：主要是因?yàn)榇箦懠牟坷鋮s非常緩慢，及時(shí)外部表面用水冷心部溫度很少發(fā)生變化，故心部部分存在退火組織珠光體。

通過對(duì)各個(gè)部位的組織與表面至心部的機(jī)械性能相結(jié)合可知：從表面至心部42CrMo4的沖擊功逐漸降低。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷面收縮率雖沒明顯變化，但是趨勢(shì)也是降低的。

由此可推斷在寒冷地區(qū)，42CrMo4的使用條件非常受限。

在低溫下產(chǎn)生沖擊功下降的因素有很多方面，例如化學(xué)元素、或在某一方面發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變、淬透性、原始組織形態(tài)等因素都影響其機(jī)械性能。

單從本次實(shí)驗(yàn)的調(diào)質(zhì)工藝來看，回火后表面主要得到的是索氏體。而在表面出現(xiàn)的上貝氏體可能在回火低保時(shí)由殘余奧氏體產(chǎn)生的上貝氏體。上貝氏體呈條分布于條狀鐵素體板條之間改變?yōu)榧?xì)小彌散分布于鐵素體內(nèi)部，上貝氏體條間分布著細(xì)長條狀的碳化物這種組織不均勻性是變形不均勻，條間易于開裂過早造成斷裂。但是在0～20 mm時(shí)只有少量的貝氏體和鐵素體，所以起主導(dǎo)作用的還是回火索氏體，因?yàn)榛鼗鹚魇象w具有較高的強(qiáng)度同時(shí)還能保持相對(duì)高的韌性，所以在自表面至20 mm中其保持良好的塑韌性。

在20 mm處沖擊功隨溫度的降低而降低，主要是因?yàn)闇囟鹊慕档投鹆死浯嘈浴?/p>

在50 mm時(shí)低溫下沖擊功降低主要是因?yàn)閴K狀鐵素體的出現(xiàn)，正常情況下鐵素體是軟的，當(dāng)鐵素體彌散均勻地分布在滲碳體中時(shí)對(duì)鋼材的整體起到強(qiáng)化的作用，但是在50 mm處出現(xiàn)了塊狀鐵素體，因?yàn)閴K狀鐵素體的特性使在常溫下50 mm處的沖擊功低于表面的處常溫的沖擊功。

但是在﹣20 ℃時(shí)，50 mm處的沖擊功與112.5 mm處的沖擊功與表面處﹣20 ℃的沖擊功對(duì)比發(fā)生了急劇的降低，這種變化主要是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)42CrMo4其內(nèi)部組織的構(gòu)成發(fā)生了韌-脆轉(zhuǎn)變，當(dāng)鋼在某一低溫時(shí)其力學(xué)性能發(fā)生明顯的變化，在低于這一溫度時(shí)鋼材變得非常脆，這種性質(zhì)又稱冷脆性。這一溫度又稱韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的因素有很多，主要包括C的含量、晶粒度、固溶元素等[3]。

在51～130mm處因?yàn)槌霈F(xiàn)了珠光體，珠光體由于有大量脆性的片層狀滲碳體，因而具有較高的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，一般鋼中每增加1%體積的珠光體，將使韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高2.2 ℃，固在112.5 mm處因?yàn)橹楣怏w使韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高，在﹣20 ℃以下的溫度沖擊功發(fā)生了急劇的降低。所以在大型棒材42CrMo4調(diào)質(zhì)時(shí)心部要減少珠光體的產(chǎn)生。當(dāng)Cr，Mo溶解到奧氏體中后，都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。其中Mo的影響最為劇烈。同時(shí)Cr，Mo等碳化物形成元素，不但使C曲線右移，而且改變C曲線的形狀，高溫區(qū)和中溫區(qū)分離形成兩個(gè)鼻子，部分重疊或一前一后。固在淬火時(shí)要在不裂的條件下，采用循環(huán)水不斷沖擊調(diào)質(zhì)件表面的同時(shí)減少空冷的時(shí)間。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 百度文庫.EN10083：3-2006淬火和回火鋼鋼CH[EB/OL].（2010-10-24）[2018-01-22].https://wenku.baidu.com/view/ab94f47302768e9951e7389c.html.

[2] 潘建生.熱處理手冊(cè)第一卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]吳承建.金屬材料學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.