42CrMo4大型鍛件調質其組織與沖擊的探討

牛 震，孟祥英

隨著制造業的不斷發展，對設備零部件的要求和材料的替代不斷在進行更新。42CrMo4就是其中之一，目前廣泛應用于汽車牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、和石油深井鉆桿與打撈工具等關鍵部位，由于這些關鍵部位零件應用的環境地點越來越廣泛，例如高氣壓條件、高寒條件等等，因此，探討此類大鍛件調制后的組織與其機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→預處理→探傷→加工→調質→取樣→檢測。

1.2 冶煉

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

表1 根據國標中的化學成分標準與試驗料成分對比（%）

1.3 鍛造要求

由于此次實驗要求檢驗直徑630的42CrMo4圓鋼，為保證產品的宏觀質量，故采用鐓粗與大下壓量相結合的方式生產。

1.4 黑皮探傷

黑皮探傷的目的是確定坯料頭部和尾部質量，同時檢測其坯料內部是否存在宏觀缺陷，對后續調質是否產生影響。

2 試驗方法

2.1 淬火

對此圓鋼采用水淬油冷的方法進行調質處理，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躲過鼻尖后再用油冷至室溫，再進行回火工藝。

圖1 淬火工藝

2.2 回火

回火采用高溫回火既能獲得較強屈服的同時又能保證其韌性，工藝如圖2所示。

3 取片

對調質后的鍛件取橫向片，對試樣用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 實驗結果

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個不同位置的機械性能作分析如表2所示。

5 討論

由實驗結果可知，在42CrMo4截面中主要的產物有上貝氏體、鐵素體、塊狀鐵素體、和珠光體、網狀鐵素體。

上貝氏體：上貝氏體的產生可能是由于淬火時空冷使在淬火時得到了少量上貝氏體，也可能是由于回火時在中溫區保溫室殘余奧氏體的轉變進而得到上貝氏體。

鐵素體、塊狀鐵素體與網狀：主要是因為奧氏體均勻程度及冷卻速度有關，同時還與偏析有一定的關系。當工件加熱到奧氏體溫度時，鐵素體還未來得及擴散達到均勻奧氏體化時。若保溫時間不足，奧氏體沒有完全達到均勻化，在冷卻時鐵素體極易析出，回火時仍保留原來的形態造成網狀或塊狀鐵素體。

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+網狀+塊狀鐵素體

表2 不同位置的機械性能

珠光體：主要是因為大鍛件心部冷卻非常緩慢，及時外部表面用水冷心部溫度很少發生變化，故心部部分存在退火組織珠光體。

通過對各個部位的組織與表面至心部的機械性能相結合可知：從表面至心部42CrMo4的沖擊功逐漸降低。屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率雖沒明顯變化，但是趨勢也是降低的。

由此可推斷在寒冷地區，42CrMo4的使用條件非常受限。

在低溫下產生沖擊功下降的因素有很多方面，例如化學元素、或在某一方面發生韌脆轉變、淬透性、原始組織形態等因素都影響其機械性能。

單從本次實驗的調質工藝來看，回火后表面主要得到的是索氏體。而在表面出現的上貝氏體可能在回火低保時由殘余奧氏體產生的上貝氏體。上貝氏體呈條分布于條狀鐵素體板條之間改變為細小彌散分布于鐵素體內部，上貝氏體條間分布著細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時只有少量的貝氏體和鐵素體，所以起主導作用的還是回火索氏體，因為回火索氏體具有較高的強度同時還能保持相對高的韌性，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，主要是因為溫度的降低而引起了冷脆性。

在50 mm時低溫下沖擊功降低主要是因為塊狀鐵素體的出現，正常情況下鐵素體是軟的，當鐵素體彌散均勻地分布在滲碳體中時對鋼材的整體起到強化的作用，但是在50 mm處出現了塊狀鐵素體，因為塊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，50 mm處的沖擊功與112.5 mm處的沖擊功與表面處﹣20 ℃的沖擊功對比發生了急劇的降低，這種變化主要是因為在低溫時42CrMo4其內部組織的構成發生了韌-脆轉變，當鋼在某一低溫時其力學性能發生明顯的變化，在低于這一溫度時鋼材變得非常脆，這種性質又稱冷脆性。這一溫度又稱韌-脆轉變溫度。影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉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處因為出現了珠光體，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-脆轉化溫度，一般鋼中每增加1%體積的珠光體，將使韌脆轉變溫度升高2.2 ℃，固在112.5 mm處因為珠光體使韌-脆轉變溫度升高，在﹣20 ℃以下的溫度沖擊功發生了急劇的降低。所以在大型棒材42CrMo4調質時心部要減少珠光體的產生。當Cr，Mo溶解到奧氏體中后，都增大過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移。其中Mo的影響最為劇烈。同時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，高溫區和中溫區分離形成兩個鼻子，部分重疊或一前一后。固在淬火時要在不裂的條件下，采用循環水不斷沖擊調質件表面的同時減少空冷的時間。

[參考文獻]

[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.熱處理手冊第一卷[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]吳承建.金屬材料學[M].北京：冶金工業出版社，2009.