42CrMoS4H熱軋圓鋼熱處理工藝優化試驗

歐陽崢容，鄭桂蕓，張冠鋒

（山鋼股份萊蕪分公司 技術中心，山東 萊蕪271004）

1　前言

42CrMoS4H出自歐標EN 10083-3:2006《Steel for Quenching and Tempering》的中碳Cr-Mo鋼，對應國標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械，淬透性高，韌性好，淬火時變形小，有高的蠕變強度和持久強度，常用于制造要求強度更高和調質截面更大的鍛件，如工程機械用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾等。而42CrMoS4H鋼良好的綜合機械性能需要通過熱處理工序實現。采用不同的熱處理，會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度、改善內部組織的重要環節［1］。

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

2　生產工藝及熱處理工藝

42CrMoS4H鋼生產工藝：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EN 10083-3:2006標準要求，42CrMoS4H鋼為了達到表1要求的力學性能，推薦的熱處理制度為：820～880℃油淬或水淬，奧氏體化時間≥30 min；回火溫度540～680℃，保溫時間≥60 min。設計的熱處理工藝見表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鋼標準要求的熱處理后力學性能

表2　設計的熱處理工藝方案

試驗材料為Φ78 mm規格42CrMoS4H鋼兩爐，每個爐次5 t。首先按表2熱處理方案中工藝1進行熱處理。由于中頻淬火需要一定的過熱度，首次設定的最高溫度為900～920℃，高于標準要求。

3　試驗結果

3.1化學成分

對兩爐試驗鋼進行化學成分分析，結果（質量分數）見表2，兩爐鋼化學成分符合EN10083-3:2006標準的成品化學成分要求。

表3　42CrMoS4H鋼化學成分（質量分數）%

3.2力學性能

按照歐標要求，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，其力學性能檢驗結果如表4所示（試驗鋼材直徑為78 mm）。按熱處理工藝1處理的鋼材屈服強度、抗拉強度、斷面收縮率均不滿足標準要求，沖擊韌性基本滿足要求。

表4　力學性能檢驗結果

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。出現回火索氏體說明淬火過程中出現自回火。距離端部12 mm處出現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回火處理，因此強度低，塑性差。

圖1　工藝1淬火試樣金相組織

為了提高強度，對該批料進行二次淬火，提高淬火溫度，降低行進速度。按熱處理方案中工藝2進行熱處理，同樣每爐鋼各取2支拉伸試樣及3支沖擊試樣（檢驗結果見表4）。二次淬火后，強度得到大幅度提高，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（見圖2b）；距離20 mm處，出現上貝氏體（見圖2c）；25mm處，上貝氏體明顯（見圖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。回火試樣的金相組織如圖3所示。

圖2　工藝2淬火試樣金相組織

圖3　工藝2調質處理后試驗鋼試樣的金相組織

從金相組織看，從端部到中心，與淬火樣相比，組織差別不大，只是組織比例有區別。端部到距離端部20 mm以內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，大晶粒尺寸達到60 μm。粗晶粒直接影響鋼材的沖擊韌性，淬火溫度高，促進了晶粒長大，回火組織存在馬氏體，回火不徹底。為了進一步保證回火組織轉變完全，可以提高加熱溫度及延長保溫時間，但為了保證晶粒度，再提高溫度不可取，且溫度高強度有可能下降。因此，為了改善沖擊韌性，延長保溫時間進行二次回火。二次回火后，依然每爐測2個拉伸試樣3個沖擊試樣，測試結果表明（見表4工藝3）強度有所下降，但滿足標準要求，塑性得到進一步改善，沖擊韌性良好（約90 J），完全滿足標準要求。

4　分析與討論

1）強度及沖擊韌性不達標試樣及正常試樣的化學成分均符合歐標EN10083-3:2006標準之規定，且試樣之間質量分數波動小，較穩定。

2）淬透與未淬透的鋼，經高溫回火后，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，不達標試樣的屈服強度、抗拉強度以及斷面收縮率值明顯低于正常試樣值。試樣的顯微觀察結果表明，強度不達標試樣主要是未淬透，淬火后的拉伸試樣依然為原始熱軋態的貝氏體組織，該組織經高溫回火后強度提升不明顯，因此試樣的強度較低。

3）42CrMoS4H為中碳鉻鉬鋼，0.90%～1.20%的Cr，一方面提高鋼的強度，另一方面增加奧氏體的穩定性，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。Cr提高鋼A1點的溫度，當淬火溫度高時，降低Ms點，反之則升高Ms點［2］。試驗中出現的屈服強度、抗拉強度和沖擊韌性不達標，主要是加熱溫度過低且保溫時間不足，鋼中沒有充分奧氏體化，C和Cr溶入奧氏體中不足，未能充分發揮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提高了鋼的回火穩定性，回火溫度偏高，保溫時間不足，組織轉變不充分。

隨回火溫度的上升，屈服強度、抗拉強度明顯下降，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，使強度、韌性降低。第三是中頻淬火為了保證一定的過熱度，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速度預先設定，行進速度過快，溫度不夠，且保溫時間短，無法淬透，行進速度過慢，溫度過高，入水前溫降大，均不利。目前根據經驗行進速度控制約50 Hz，水量按最大值設定，出水后鋼材表面溫度依然有400℃，因此，自回火無法避免。

5　結論

5.1在淬火溫度低保溫時間短的情況下，鋼材未淬透，從而使鋼材強度與塑性下降。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℃，但若保溫時間短，組織轉變不完全，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，回火保溫時間不能低于2 h。