戴超人

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

40CrNi2Mo是一種具有較高強度及韌性的中碳低合金材料，合金元素含量較高，淬透性好[1]。目前，對40CrNi2Mo材質的鑄鋼研究較少，對同材質鍛鋼研究較多，40CrNi2Mo鍛鋼應用于受沖擊循環(huán)載荷的泵軸、壓氣機軸、曲軸、連桿、飛機起落架等大型重要零件[2-3]。對同材質鍛鋼的研究中，主要解決在熱處理過程中淬硬傾向大及低溫沖擊韌性低的問題。張世英等研究40CrNi2Mo鋼的低溫力學性能，發(fā)現(xiàn)其脆性轉變溫度為-125 ℃[4]，曹國珍等研究熱處理工藝對40CrNi2Mo鋼性能影響，發(fā)現(xiàn)一種熱處理工藝，處理后材料屈服強度大于1 100 MPa，常溫沖擊功大于60 J，達到良好的強韌性配合[5]。

當工件結構外形復雜時，使用40CrNi2Mo鍛鋼毛坯加工零件，機械加工量大，且40CrNi2Mo鍛鋼經過調質處理后硬度高機械加工效率低且成本高。40CrNi2Mo材質鑄鋼以鑄造形狀的多樣性及后續(xù)零件成型過程中加工量小的優(yōu)勢，越來越多地應用于機械中重要且外形復雜的零件。鑄鋼組織及成分均勻性相對較差，在性能上與鍛造鋼存在一定差距，熱處理工藝針對鑄件進行研究，目的是找到ZG40CrNi2Mo的穩(wěn)定熱處理工藝，使其擁有良好的強韌型配合，獲得較高的綜合力學性能。

1 試驗材料及試驗設備

1.1 試驗材料

試驗材料為ZG40CrNi2Mo，煉鋼采用電弧爐氧化法冶煉工藝，澆筑采取明冷鐵激冷和冒口補縮聯(lián)合使用的鑄造工藝手段，消除或減少了鋼水在凝固時產生的內部缺陷，提高了鑄件整體質量。材料主要化學成分見表1。

表1 ZG40CrNi2Mo化學成分(質量分數) (%)

1.2 試驗設備

試驗設備使用WAW-1000微機控制電液私服萬能試驗機、ZBC2452型微機式金屬擺錘沖擊試驗機、ZYS1601-A沖擊試驗低溫儀、HB-3000C型電子布氏硬度計、Gx71倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡、PDA-7000島津發(fā)射光譜儀。

2 試驗方案

使用2種典型熱處理工藝正火+回火工藝及調質工藝處理試樣，并測試性能。試驗澆筑外輪廓1 m×1 m×0.3 m的毛坯，使用機床冷加工在毛坯上取尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的試樣，每組試驗在毛坯厚度方向從外至內取3個試樣，試驗結果選取平均值進行分析。試樣檢測性能包括硬度、屈服強度、抗拉強度、延伸率，常溫沖擊功及-40 ℃沖擊功，根據試驗情況選取部分試樣進行金相分析。

由于ZG40CrNi2Mo參考資料較少，且不同鑄造工藝會影響毛坯性能。因此先分析未熱處理的鑄造毛坯(后文稱為鑄態(tài))性能及組織，確定穩(wěn)定的鑄造工藝.

正火+回火熱處理工藝，正火處理目的是細化鑄態(tài)組織，消除帶狀缺陷，回火降低組織內應力，提高塑形和韌性，穩(wěn)定組織保證工件尺寸及形狀穩(wěn)定。正火保溫溫度選擇850和890 ℃進行對比，保溫2 h，回火溫度選擇450、500、550和600 ℃進行對比，保溫4 h。

調質工藝處理后工件一般能獲得非常好的綜合性能。調質工藝研究冷卻介質和回火溫度2個參數對力學性能影響。淬火加熱至890 ℃保溫2 h，淬火冷卻介質分別使用水、水基淬火液、快速淬火油，回火溫度選擇500、550和600 ℃進行對比，保溫時間4 h。

3 試驗結果分析

3.1 鑄件毛坯性能

從鑄造毛坯上取樣進行性能檢測，分析熱處理鑄造毛坯性能及組織。鑄態(tài)毛坯力學性能見表2，該材料鑄態(tài)各項性能相對較低。

表2 鑄態(tài)性能參數

鑄態(tài)金相組織為片狀珠光體及鐵素體，金相組織如圖1所示，組織分布不均勻，存在明顯帶狀缺陷。同時發(fā)現(xiàn)材料中存在少量非金屬夾雜物。改進鑄造工藝及參數發(fā)現(xiàn)無法完全消除帶狀缺陷及非金屬夾雜物。該材料的鍛件相關研究中也有相似發(fā)現(xiàn)，材料內部存在細小夾雜物，夾雜物尺寸一般為10～50 μm。

a) 500倍金相組織

b) 100倍金相組織

3.2 正火+回火工藝

鑄態(tài)毛坯冷卻至室溫后，在毛坯上冷加工取試樣，試樣進行正火+回火處理。正火熱處理溫度選取850 ℃和890 ℃進行對比，保溫2 h，出爐在空氣中自然冷卻，隨后回火處理，回火熱處理溫度選取4個溫度進行對比，分別為450、500、550和600 ℃，保溫4 h，出爐在空氣中自然冷卻。冷卻至室溫后加工成標準試樣進行性能檢測。

對試樣進行性能及金相組織檢測，力學性能見表3，可以看出正火溫度對性能影響不大，隨著回火溫度增加，屈服強度、抗拉強度減小，延伸率增加，沖擊功增加(見圖2)。正火溫度890 ℃+回火溫度550 ℃處理后材料綜合力學性能最好。

圖2 回火溫度對正火+回火處理試樣性能影響

正火+回火處理后的試樣組織為回火索氏體+鐵素體(見圖3)，具有良好的韌性和塑性，同時具有較高的強度?；鼗鹚魇象w一般是馬氏體在高溫回火后產生的組織，試樣回火前組織形態(tài)應該包含馬氏體，而按照一般經驗，40CrNi2Mo材質屬于亞共析鋼，正火后組織以鐵素體+珠光體為主。重新選取正火處理后(回火處理前)試樣進行金相組織分析。金相組織如圖4所示，組織為馬氏體+貝氏體。該種鋼合金元素含量較高，臨界冷卻速度較低，且試樣體積小，在空氣中冷卻速度快，在空氣中冷卻速度大于該種鋼臨界冷卻速度，得到馬氏體+貝氏體組織。

表3 正火+回火處理試樣性能

圖3 回火后試樣金相組織(回火索氏體+鐵素體)

圖4 正火后試樣金相組織(馬氏體+貝氏體)

3.3 調質工藝

淬火加熱至890 ℃，保溫2 h，在不同冷卻介質中冷卻，回火溫度選擇500、550和600 ℃進行對比，保溫時間4 h。冷卻介質使用水、水基淬火液、快速淬火油進行對比。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，介質使用水進行冷卻的試樣，全部開裂。水作為冷卻介質，工件冷卻速度極快，工件內外溫差相差很大，產生的膨脹也不盡相同以及在組織轉變過程中產生膨脹和收縮，在工件內產生很大的內應力，導致試樣開裂。說明此種材料淬裂傾向很大。使用水基淬火液有少數試樣開裂，通過調整控制水基淬火液成分及濃度，能很大程度減小試樣開裂比例。使用快速淬火油冷卻的試樣無開裂情況。調質處理后試樣性能見表4。從表中可以看出使用水基淬火液和快速淬火油冷卻效果基本相同。

隨著回火溫度增加，屈服強度、抗拉強度減小，塑性增加，沖擊功增加?；鼗饻囟?50 ℃處理后材料綜合性能最好(見圖5和圖6)?？紤]到水基淬火液有試樣開裂情況，從工藝穩(wěn)定性考慮，快速淬火油是更好的選擇。

表4 調質處理試樣性能

圖5 回火溫度對處理試樣性能影響(使用水基淬火液調質)

圖6 回火溫度對處理試樣性能影響(使用快速淬火油調質)

使用水基淬火液冷卻的試樣，金相組織為回火索氏體(見圖7)。使用快速淬火油冷卻的試樣，金相組織為回火索氏體+鐵素體(見圖8)。相比正火+回火工藝，調質工藝處理試樣抗拉強度和屈服強度明顯增加。

圖7 水基淬火液調質試樣的金相組織(回火索氏體)

圖8 快速淬火油調質試樣的金相組織(回火索氏體+鐵素體)

從生產角度考慮2種冷卻介質均存在一定局限。使用水基淬火液冷卻，試驗中發(fā)現(xiàn)，由于該材料淬裂傾向大，對淬火液成分及濃度非常敏感，生產過程中，淬火液存在老化及污染等問題[6-7]，應隨時檢測淬火液成分并進行改良調整，否則工件易淬裂，不利于連續(xù)生產。而使用快速淬火油會產生空氣污染，根據相關政策，油淬生產正在逐步限制和取消，尤其是較大工件需使用的大型油池資源極少。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)ZG40CrNi2Mo使用正火+回火工藝熱處理，正火溫度對材料性能影響不大，回火溫度增加，強度下降，塑性增加，當正火溫度為890 ℃+回火溫度550 ℃時，材料綜合性能最好，抗拉強度達到1 025 MPa，屈服強度達到860 MPa，延伸率達到17.8%，常溫沖擊功KU2達到53.6 J，-40 ℃沖擊功KU2達到30.4 J。

2)ZG40CrNi2Mo使用淬火工藝熱處理時，發(fā)現(xiàn)該材料淬裂敏感性高，使用水作為冷卻介質，試樣全部開裂。水基淬火液和快速淬火油作為冷卻介質材料性能基本一致。

3)ZG40CrNi2Mo使用淬火工藝熱處理，回火溫度550 ℃時，材料綜合性能最好，抗拉強度達到1 156 MPa，屈服強度達到1 034 MPa，延伸率達到12.5%，常溫沖擊功KU2達到53 J，-40 ℃沖擊功KU2達到22.5 J。