宋 倩 游和清 吳飛虎

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

4130材料(對(duì)應(yīng)的中國牌號(hào)為30CrMo)屬中碳Cr-Mo系調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，其中的Cr元素可提高材料的淬透性，使調(diào)質(zhì)后的索氏體組織得到強(qiáng)化；高含量的Mo元素可防止第二類回火脆性。且高強(qiáng)、高硬、高韌，具有良好的焊接性、淬透性、抗疲勞性能等特點(diǎn)，因而在軌道交通領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1]。下文就4130閥體材料鍛造成型及熱處理過程中的質(zhì)量影響因素進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

閥體簡(jiǎn)圖如圖1所示，最大壁厚為92 mm，質(zhì)量為288.7 kg。材料為4130(30CrMo)，化學(xué)成分如表1所示，符合4130閥體材料所要求的化學(xué)成分范圍。本試驗(yàn)取兩組試塊，規(guī)格均為100 mm×100 mm×200 mm，其中1#試塊為圓鋼經(jīng)線切割成型，2#試塊為圓鋼經(jīng)鍛造成型(仿閥體成型工藝)。

圖1 閥體零件示意圖

表1 4130閥體材料的化學(xué)成分 /%

1.2 熱處理工藝

根據(jù)閥體的特點(diǎn)和技術(shù)要求，確定其熱處理工藝為正火+調(diào)質(zhì)處理，正火、淬火及回火工藝曲線如圖2所示。將兩組不同成型工藝制成的試塊分別在A、B兩公司執(zhí)行如圖2所示的熱處理工藝。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試方法

檢測(cè)試樣在距表層2.5 cm處沿著鍛造方向(即200 mm方向)取樣，分別按GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試樣方法、GB/T 229—2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法以及ASTM E10—2015金屬材料布氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試棒最終熱處理后的機(jī)械性能應(yīng)符合75K 4130合金鋼鍛圓技術(shù)規(guī)范，如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原材料評(píng)定

原材料是鍛件成型質(zhì)量的重要保障，如果原材料本身存在缺陷或是化學(xué)成分及夾雜物等控制不當(dāng)，將直接影響鍛件成形過程，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品大批量報(bào)廢。因此，對(duì)原材料的純凈度及有害元素等的控制是至關(guān)重要的[2-3]。表3、表4分別為4130試塊熱處理前的缺陷類型級(jí)別及非金屬夾雜物分析結(jié)果。由表可見，鋼錠的低倍組織及非金屬夾雜物級(jí)別均符合ASTM E381及ASTM E45標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合表1可證明該材料符合閥體原材料標(biāo)準(zhǔn)，材料本身不會(huì)對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖2 4130閥體材料的熱處理工藝

表2 4130閥體材料的力學(xué)性能要求

表3 4130材料的缺陷級(jí)別

表4 4130材料的非金屬夾雜物級(jí)別

2.2 金相組織分析

取同一公司熱處理的兩組試樣， 將其正火、調(diào)質(zhì)后的晶粒度級(jí)別及金相組織進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：1#試樣的晶粒度級(jí)別為8級(jí)，基體組織為貝氏體+索氏體；2#試樣的晶粒度級(jí)別為8.5級(jí)，基體組織同樣為貝氏體+索氏體。說明試塊成型工藝鍛造與否對(duì)4130閥體材料基體組織類型無明顯影響，但對(duì)晶粒具有一定的細(xì)化作用。

2.3 力學(xué)性能分析

兩組試樣經(jīng)A、B兩公司熱處理后，其力學(xué)性能結(jié)果如表5所示。由表可知，4組試樣的機(jī)械性能及硬度均滿足75K 4130合金鋼鍛圓技術(shù)規(guī)范要求。為了便于比較將表5的數(shù)據(jù)作成如圖3所示的柱狀圖。

2.3.1鍛造對(duì)4130材料熱處理后質(zhì)量的影響

由表5及圖3可見，4130閥體材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、低溫沖擊功及硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由同一生產(chǎn)單位進(jìn)行熱處理后，經(jīng)鍛造后的試塊與未鍛造成型的試塊相比其延伸率及斷面收縮率相近，而抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度有所提高。A、B公司熱處理后的性能分析可見，鍛壓工藝可適當(dāng)提高強(qiáng)度。

表5 試樣經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖3 試樣經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能比較情況

2.3.2熱處理操作對(duì)4130材料質(zhì)量的影響

比較A、B公司熱處理性能，雖然其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率及低溫沖擊功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是A公司較B公司熱處理可以獲得更好的綜合性能。

對(duì)于熱處理后所獲性能的影響因素主要包括以下幾方面：

(1)加熱。加熱爐的爐溫均勻性、氣密性，試塊在爐內(nèi)擺放方式或位置等均會(huì)影響熱處理質(zhì)量。

(2)冷卻。淬火液的狀態(tài)，如淬火液是否老化、起始溫度、淬火液體積、攪拌能力等均會(huì)影響熱處理質(zhì)量。

(3)人為因素。在執(zhí)行工藝中，人的因素同樣是關(guān)鍵，如執(zhí)行工藝嚴(yán)格與否等均會(huì)影響熱處理質(zhì)量。

由此可見，生產(chǎn)中的各種因素都可能影響4130閥體材料的質(zhì)量，在每一環(huán)節(jié)都需嚴(yán)格把控。

3 結(jié)論

(1)該材料符合4130閥體原材料標(biāo)準(zhǔn)，材料本身不會(huì)對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2)鍛造對(duì)4130材料基體組織無明顯影響，但對(duì)晶粒具有一定的細(xì)化作用。

(3)經(jīng)鍛造成型后，其性能可以在不改變塑性的同時(shí)提高其抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度。

(4)熱處理設(shè)備、淬火液狀態(tài)以及人工因素均會(huì)影響熱處理質(zhì)量。