歐陽(yáng)崢容，鄭桂蕓，張冠鋒

（山鋼股份萊蕪分公司 技術(shù)中心，山東 萊蕪271004）

1　前言

42CrMoS4H出自歐標(biāo)EN 10083-3:2006《Steel for Quenching and Tempering》的中碳Cr-Mo鋼，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB/T 3077中的42CrMoA鋼，并添加0.020%～0.040%的S，改善鋼的切削性能。42CrMoS4H鋼具有良好的綜合機(jī)械，淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，常用于制造要求強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如工程機(jī)械用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾等。而42CrMoS4H鋼良好的綜合機(jī)械性能需要通過(guò)熱處理工序?qū)崿F(xiàn)。采用不同的熱處理，會(huì)使金屬材料得到不同的組織，從而獲得所需要的性能。熱處理工序是提高材料的強(qiáng)度、改善內(nèi)部組織的重要環(huán)節(jié)［1］。

本研究分析了42CrMoS4H鋼中頻淬火+高溫回火處理對(duì)力學(xué)性能的影響，分析熱處理工藝制度對(duì)42CrMoS4H鋼顯微組織的影響，并通過(guò)工藝調(diào)整，摸索合適的熱處理工藝制度，保證鋼熱處理后的綜合機(jī)械性能。

2　生產(chǎn)工藝及熱處理工藝

42CrMoS4H鋼生產(chǎn)工藝：電爐冶煉（鐵水+廢鋼）→LF精煉+VD脫氣→連鑄+電磁攪拌（坯型260 mm×300 mm）→軋制成材。

熱處理工藝：根據(jù)EN 10083-3:2006標(biāo)準(zhǔn)要求，42CrMoS4H鋼為了達(dá)到表1要求的力學(xué)性能，推薦的熱處理制度為：820～880℃油淬或水淬，奧氏體化時(shí)間≥30 min；回火溫度540～680℃，保溫時(shí)間≥60 min。設(shè)計(jì)的熱處理工藝見(jiàn)表2（3種熱處理方案的回火溫度均為600℃，冷卻方式均為隨爐冷卻120 min后出爐）。

表1　42CrMoS4H鋼標(biāo)準(zhǔn)要求的熱處理后力學(xué)性能

表2　設(shè)計(jì)的熱處理工藝方案

試驗(yàn)材料為Φ78 mm規(guī)格42CrMoS4H鋼兩爐，每個(gè)爐次5 t。首先按表2熱處理方案中工藝1進(jìn)行熱處理。由于中頻淬火需要一定的過(guò)熱度，首次設(shè)定的最高溫度為900～920℃，高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1化學(xué)成分

對(duì)兩爐試驗(yàn)鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見(jiàn)表2，兩爐鋼化學(xué)成分符合EN10083-3:2006標(biāo)準(zhǔn)的成品化學(xué)成分要求。

表3　42CrMoS4H鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

3.2力學(xué)性能

按照歐標(biāo)要求，在距離表面12.5 mm處取拉伸樣及沖擊試樣，按不同熱處理方案處理的鋼材，其力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示（試驗(yàn)鋼材直徑為78 mm）。按熱處理工藝1處理的鋼材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率均不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊韌性基本滿(mǎn)足要求。

表4　力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

3.3顯微組織

取截面樣分析從端部到中心熱處理后組織的變化。按工藝1處理的試樣金相組織如圖1所示，端部組織主要為回火索氏體和少量的馬氏體，馬氏體深度4～5 mm。出現(xiàn)回火索氏體說(shuō)明淬火過(guò)程中出現(xiàn)自回火。距離端部12 mm處出現(xiàn)的大量的上貝氏體為熱軋組織，非淬火組織，而拉伸和沖擊試樣在距離半徑12.5 mm處取樣，所以所做拉伸和沖擊試樣基本為原始組織經(jīng)回火處理，因此強(qiáng)度低，塑性差。

圖1　工藝1淬火試樣金相組織

為了提高強(qiáng)度，對(duì)該批料進(jìn)行二次淬火，提高淬火溫度，降低行進(jìn)速度。按熱處理方案中工藝2進(jìn)行熱處理，同樣每爐鋼各取2支拉伸試樣及3支沖擊試樣（檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4）。二次淬火后，強(qiáng)度得到大幅度提高，塑性得到改善，但沖擊韌性惡化。工藝2淬火試樣金相組織如圖2所示。試樣端部為馬氏體和索氏體（見(jiàn)圖2a）；距離半徑端部15 mm處，馬氏體量很少，基本為回火索氏體（見(jiàn)圖2b）；距離20 mm處，出現(xiàn)上貝氏體（見(jiàn)圖2c）；25mm處，上貝氏體明顯（見(jiàn)圖2d）；30 mm處，組織為鐵素體、珠光體、上貝氏體和少量回火索氏體。從組織上看，二次淬火已經(jīng)淬透，但依然存在自回火。二次淬火后，沖擊性能不合，沖擊韌性主要與回火處理有關(guān)?；鼗鹪嚇拥慕鹣嘟M織如圖3所示。

圖2　工藝2淬火試樣金相組織

圖3　工藝2調(diào)質(zhì)處理后試驗(yàn)鋼試樣的金相組織

從金相組織看，從端部到中心，與淬火樣相比，組織差別不大，只是組織比例有區(qū)別。端部到距離端部20 mm以?xún)?nèi)依然是馬氏體和回火索氏體，回火樣的回火索氏體比例比淬火樣的回火索氏體比例大。20 mm處出現(xiàn)上貝氏體，25 mm處上貝氏體明顯，30 mm處為鐵素體、珠光體、上貝氏體和少量回火索氏體。另外，該組織晶粒粗大，大晶粒尺寸達(dá)到60 μm。粗晶粒直接影響鋼材的沖擊韌性，淬火溫度高，促進(jìn)了晶粒長(zhǎng)大，回火組織存在馬氏體，回火不徹底。為了進(jìn)一步保證回火組織轉(zhuǎn)變完全，可以提高加熱溫度及延長(zhǎng)保溫時(shí)間，但為了保證晶粒度，再提高溫度不可取，且溫度高強(qiáng)度有可能下降。因此，為了改善沖擊韌性，延長(zhǎng)保溫時(shí)間進(jìn)行二次回火。二次回火后，依然每爐測(cè)2個(gè)拉伸試樣3個(gè)沖擊試樣，測(cè)試結(jié)果表明（見(jiàn)表4工藝3）強(qiáng)度有所下降，但滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，塑性得到進(jìn)一步改善，沖擊韌性良好（約90 J），完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4　分析與討論

1）強(qiáng)度及沖擊韌性不達(dá)標(biāo)試樣及正常試樣的化學(xué)成分均符合歐標(biāo)EN10083-3:2006標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，且試樣之間質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動(dòng)小，較穩(wěn)定。

2）淬透與未淬透的鋼，經(jīng)高溫回火后，淬透部分的Rm、Rel、Z等值均比未淬透部分明顯較高。從表4看出，不達(dá)標(biāo)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及斷面收縮率值明顯低于正常試樣值。試樣的顯微觀察結(jié)果表明，強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)試樣主要是未淬透，淬火后的拉伸試樣依然為原始熱軋態(tài)的貝氏體組織，該組織經(jīng)高溫回火后強(qiáng)度提升不明顯，因此試樣的強(qiáng)度較低。

3）42CrMoS4H為中碳鉻鉬鋼，0.90%～1.20%的Cr，一方面提高鋼的強(qiáng)度，另一方面增加奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。Cr提高鋼A1點(diǎn)的溫度，當(dāng)淬火溫度高時(shí)，降低Ms點(diǎn)，反之則升高M(jìn)s點(diǎn)［2］。試驗(yàn)中出現(xiàn)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性不達(dá)標(biāo)，主要是加熱溫度過(guò)低且保溫時(shí)間不足，鋼中沒(méi)有充分奧氏體化，C和Cr溶入奧氏體中不足，未能充分發(fā)揮Cr提高淬透性的作用，淬火不充分使試樣的拉伸性能下降；第二是Cr提高了鋼的回火穩(wěn)定性，回火溫度偏高，保溫時(shí)間不足，組織轉(zhuǎn)變不充分。

隨回火溫度的上升，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯下降，其中Cr在高溫回火階段隨溫度升高阻止馬氏體分解，從而影響碳化物析出，高溫回火后所得到碳化物顆粒較少或不均勻，使強(qiáng)度、韌性降低。第三是中頻淬火為了保證一定的過(guò)熱度，保證鋼完全奧氏體化，加熱溫度較高，使得晶粒粗大，影響鋼的沖擊韌性。第四因中頻淬火行進(jìn)速度預(yù)先設(shè)定，行進(jìn)速度過(guò)快，溫度不夠，且保溫時(shí)間短，無(wú)法淬透，行進(jìn)速度過(guò)慢，溫度過(guò)高，入水前溫降大，均不利。目前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)行進(jìn)速度控制約50 Hz，水量按最大值設(shè)定，出水后鋼材表面溫度依然有400℃，因此，自回火無(wú)法避免。

5　結(jié)論

5.1在淬火溫度低保溫時(shí)間短的情況下，鋼材未淬透，從而使鋼材強(qiáng)度與塑性下降。42CrMoS4H鋼中頻淬火最高溫度930～940℃，入水溫度820～840℃，行進(jìn)速度50 Hz，能保證鋼材淬透。

5.2高溫回火溫度確定為600℃，但若保溫時(shí)間短，組織轉(zhuǎn)變不完全，加之淬火溫度較高，晶粒粗大，沖擊韌性差，為了保證沖擊韌性，回火保溫時(shí)間不能低于2 h。