韓柏林，鄒 鵬，何 興

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

中碳合金鋼廣泛應(yīng)用于大型機(jī)械的零部件及結(jié)構(gòu)件，如泵軸、壓氣機(jī)軸、曲軸、連桿等。因中碳合金鋼中含有Cr、Mo、Ni等元素，其淬透性較好，加工時(shí)一般需進(jìn)行退火以降低硬度，常規(guī)熱處理主要為調(diào)質(zhì)處理，使材料獲得一定的綜合力學(xué)性能，尤其是高強(qiáng)度[1]。但隨著零件尺寸的增大，調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度會(huì)大幅度的下降。本文通過(guò)測(cè)試42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能，并用合金鋼淬透性系數(shù)表來(lái)計(jì)算材料的理想臨界直徑，對(duì)未來(lái)機(jī)組不同尺寸零件的選擇，尤其是力學(xué)性能的要求，起到了一定的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

中碳合金鋼的熱處理一般采用正火+調(diào)質(zhì)處理，即正火、淬火、高溫回火。該類(lèi)鋼通過(guò)淬火獲得馬氏體組織，隨后通過(guò)高溫回火得到回火索氏體組織，進(jìn)而獲得良好的強(qiáng)韌性。本文選用三種不同化學(xué)成分的試驗(yàn)鍛件，分別為42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼，均為電爐冶煉和電渣重熔后鍛造而成，鍛造比為4.5，始鍛溫度為1150～1180 ℃，終鍛溫度為850～900 ℃。42CrMo鍛件分別加工成規(guī)格為φ80 mm×160 mm、φ150 mm×300 mm和φ300 mm×600 mm的試樣各1件，40CrNi2Mo鍛件分別加工成規(guī)格為φ150 mm×300 mm、φ250 mm×500 mm和φ600 mm×1000 mm的試樣各1件，30Cr2Ni2Mo鍛件分別加工成規(guī)格為φ200 mm×400 mm、φ400 mm×800 mm和φ700 mm×1400 mm的試樣各1件。三種合金鋼的化學(xué)成分如表1所示，根據(jù)試驗(yàn)材料的化學(xué)成分，采用熱膨脹法測(cè)量得到三種材料的臨界溫度，其中42CrMo鋼的Ac1約710 ℃，Ac3約780 ℃；40CrNi2Mo鋼的Ac1約720 ℃，Ac3約780 ℃；30Cr2Ni2Mo鋼的Ac1約730 ℃，Ac3約790 ℃[2]。

三種合金鋼常用熱處理工藝見(jiàn)圖1。正火和淬火按每40 mm有效厚度保溫1 h，回火按每25 mm有效厚度保溫1 h。

表1 試樣的實(shí)測(cè)化學(xué)成分Table 1 Measured chemical compositions of samples

熱處理后用線(xiàn)切割機(jī)切取縱向力學(xué)性能試樣，在鍛件表面截取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣。拉伸試樣為5倍標(biāo)距，加工成標(biāo)距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣，采用RAS250萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣為夏比U型缺口，缺口深度為2 mm，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每組沖擊試驗(yàn)為2件試樣，試驗(yàn)溫度為常溫。

(a)42CrMo鋼；(b)40CrNi2Mo鋼；(c)30Cr2Ni2Mo鋼圖1 試驗(yàn)材料的常用熱處理工藝(a)42CrMo steel；(b)40CrNi2Mo steel；(c)30Cr2Ni2Mo steelFig.1 Common heat treatment process of test materials

試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出，隨著試樣直徑的增大，材料強(qiáng)度明顯下降[3]，但塑性和韌性有一定的提高。

表2 調(diào)質(zhì)后試樣的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of samples after quenching and tempering

2 理想臨界直徑的估算

對(duì)于合金鋼來(lái)說(shuō)，添加不同含量的合金元素會(huì)對(duì)材料的淬透性起到較大的作用。合金結(jié)構(gòu)鋼手冊(cè)中合金鋼淬透性系數(shù)表，如表3所示。

不同化學(xué)成分合金鋼調(diào)質(zhì)處理后理想臨界直徑D0(mm)為：

表3 合金鋼淬透性系數(shù)Table 3 Coefficients of hardenability of alloy steel

D0=DC×Fsi×FMn×FCr×FNi×FMo

(1)

對(duì)于調(diào)質(zhì)處理后合金鋼晶粒度等級(jí)的確定[4]，將三種材料最小規(guī)格的試樣，調(diào)質(zhì)處理后加工金相顯微試樣，依次進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光、侵蝕，侵蝕液采用3%～5%硝酸酒精，采用META VAL型倒立式顯微鏡觀(guān)察金相顯微組織，如圖2所示。

由圖2可知，三種材料的晶粒度均為5級(jí)[5]。代入式(1)可分別計(jì)算出，42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的淬火理想臨界直徑D0分別為φ100、φ180和φ360 mm。

3 結(jié)論

1)在相同熱處理工藝參數(shù)下，隨著試樣尺寸的增大，42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的力學(xué)性能均呈下降趨勢(shì)；

(a)42CrMo；(b)40CrNi2Mo；(c)30Cr2Ni2Mo圖2 中碳合金鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of medium carbon alloy steel

2)42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的淬火理想臨界直徑分別為φ100、φ180和φ360 mm；

3)對(duì)于材料熱處理后力學(xué)性能的要求，應(yīng)該考慮零件實(shí)際尺寸小于該材料的理想臨界直徑。