冷卻速度對42CrMo4鋼組織轉變及性能影響

楊偉光，劉年富，宋加兵

(1.寶鋼特鋼韶關有限公司，廣東 韶關 512123； 2.安徽安簧機械股份有限公司，安徽 安慶 246005)

42CrMo4鋼為歐洲標準EN 10083-3牌號，與我國GB/T 5216標準中42CrMoH牌號相近似，具有較高的淬透性。該材料性能優良，廣泛應用于汽車零件、工程機械和機電設備等領域[1-4]。42CrMo4鋼在廣泛使用的同時，客戶需要鋼材具有較低的硬度，以滿足其下料剪切或鋸切效率的提高。在常規的生產中，42CrMo4鋼軋制后，在冷床上經過長時間的自然冷卻，硬度比較高[5]，維氏硬度可達到300 HV1。較高的硬度無法滿足客戶高效率下料的要求，為獲得較低的硬度，需要對42CrMo4鋼軋制后的冷卻速度進行合理控制。通過合理的控制，使鋼材形成鐵素體和珠光體組織，從而獲得較低的硬度，盡量避免產生貝氏體或馬氏體組織。本文通過對42CrMo4鋼在Ar3溫度點以下，進行等溫轉變時組織和硬度的研究，為鋼材軋制后的冷卻控制提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為42CrMo4鋼，化學成分如表1所示。將尺寸320 mm×425 mm橫截面連鑄坯軋制成直徑φ75 mm圓鋼，圓鋼軋制后在空氣中自然冷卻至室溫。在距離圓鋼表面1/4直徑的位置加工成尺寸大小為φ6 mm×81mm試樣。

表1 42CrMo4鋼化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

使用Gleeble-3800熱模擬機，通過熱膨脹法試驗測量膨脹系數，從而測定各相變點溫度；使用萊卡DM-4000M金相顯微鏡進行金相組織觀察；使用Zwick ZHV-1型號維氏硬度計測量維氏硬度[6-9]。

2 試驗過程

2.1 相變點測定

在真空條件下，以10 ℃/s加熱速度將試樣升溫至500 ℃；然后以0.05 ℃/s加熱速度升溫至960 ℃，保溫10 min；再以0.05 ℃/s冷卻速度將試樣冷卻至400 ℃；最后以10 ℃/s冷卻速度將試樣冷卻至室溫，如圖1所示。通過試驗，得到試樣膨脹量-時間曲線和相變點溫度，如圖2和表2所示。

圖1 測定42CrMo4鋼相變點時間-溫度控制曲線

圖2 42CrMo4鋼膨脹系數-溫度曲線

表2 42CrMo4鋼各相變點溫度(℃)

2.2 等溫轉變試驗

有關資料顯示[10]，42CrMo4同類型材料，軋制后通過適合的冷卻速度控制，可獲得硬度較低的鐵素體和珠光體組織。

等溫轉變試驗以10 ℃/s的升溫速度將試樣加熱到960 ℃，保溫10 min；然后將試樣分別以1、3和6 ℃/s冷卻速度冷卻至保溫溫度，保溫溫度區間為700～610 ℃，每間隔10 ℃為一個等溫點，保溫溫度區間下限根據試驗具體情況確定，保溫時間30 min；最后以30 ℃/s的冷卻速率冷卻至室溫。對試樣進行組織和維氏硬度檢測，從而確定獲得較低硬度的鐵素體和珠光體組織的等溫區間。

2.3 試驗結果

試樣在960 ℃溫度下保溫10 min后，以1 ℃/s冷卻速度分別冷卻至700、690、680、670、660、650、640、630、620和610 ℃，分別保溫30 min，組織轉變產物和維氏硬度如表3所示，顯微組織如圖3所示。

試樣在960 ℃溫度下保溫10 min后，以3 ℃/s冷卻速度分別冷卻至700、690、680、670、660、650、640、630和620 ℃，分別保溫30 min，組織轉變產物和維氏硬度如表4所示，顯微組織如圖4所示。

試樣在960 ℃溫度下保溫10 min后，以6 ℃/s冷卻速度分別冷卻至700、690、680、670、660、650、640和630 ℃，分別保溫30 min，組織轉變產物和維氏硬度如表5所示，顯微組織如圖5所示。

表3 1 ℃/s冷卻速度和不同等溫溫度下組織轉變產物及維氏硬度

表4 3 ℃/s冷卻速度和不同等溫溫度下組織轉變產物及維氏硬度

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃；(i) 620 ℃；(j) 610 ℃

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃；(i) 620 ℃

表5 6 ℃/s冷卻速度和不同等溫溫度下組織轉變產物及維氏硬度

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃

2.4 試驗結果分析

由表3和圖3可看出，等溫溫度為700～620 ℃時，過冷奧氏體完成組織轉變，為鐵素體和珠光體組織。其中等溫溫度分別為700、690、680、670、660和650 ℃時，維氏硬度值分別為230、225、226、237、242和242 HV1；等溫溫度分別為640、630和620 ℃時，維氏硬度值分別為278、287和291 HV1，維氏硬度值高于等溫溫度640 ℃以上時的維氏硬度值。等溫溫度為610 ℃，組織為鐵素體、珠光體和大量馬氏體，維氏硬度值為305 HV1，說明經過30 min等溫組織轉變后，仍有大量過冷奧氏體未發生轉變。因此在等溫后的快速冷卻過程中形成馬氏體組織，由于馬氏體組織的存在，導致維氏硬度值進行一步升高。

由表4和圖4可看出，等溫溫度為700～650 ℃時，過冷奧氏體完成組織轉變，為鐵素體和珠光體組織，其中等溫溫度分別為700、690、680和670 ℃時，維氏硬度值分別為237、233、234、和244 HV1；等溫溫度為660和650 ℃時，維氏硬度值分別為274和273 HV1，維氏硬度值高于等溫溫度660 ℃以上時的維氏硬度值。等溫溫度為640～620 ℃時，組織為鐵素體、珠光體和不同含量的馬氏體，維氏硬度值在290 HV1以上，說明經過30 min等溫組織轉變后，也仍有過冷奧氏體未發生轉變。因此在等溫后的快速冷卻過程中形成馬氏體組織，從而導致維氏硬度升高。

由表5和圖5可看出，等溫溫度為700～650 ℃時，過冷奧氏體完成組織轉變，為鐵素體和珠光體組織，其中等溫溫度分別為700、690、680和670 ℃時，維氏硬度值分別為232、238、243、和250 HV1；等溫溫度為660和650 ℃時，維氏硬度值分別為272和274 HV1，維氏硬度值高于等溫溫度660 ℃以上時的維氏硬度值。等溫溫度為640～630 ℃時，組織為鐵素體、珠光體和不同含量的馬氏體，維氏硬度值在300 HV1以上，說明經過30 min等溫組織轉變后，也仍有過冷奧氏體未發生轉變。因此在等溫后快速冷卻的過程中形成不同含量的馬氏體組織，從而導致維氏硬度不同程度地升高。

通過以上分析可以看出，在相同等溫前冷卻速度下，隨著等溫溫度的降低，維氏硬度值呈逐漸升高趨勢；在相同等溫溫度下，隨著等溫前冷卻速度的提高，維氏硬度值也呈逐漸升高的趨勢，如圖6所示。

圖6 不同等溫前冷卻速度和不同等溫溫度下維氏硬度

3 應用探討

客戶要求該圓鋼供貨維氏硬度不超過250 HV1，且組織為鐵素體+珠光體，以便于保證其下料鋸切效率。該圓鋼在鋼廠生產中，完成軋制后終軋溫度很高，一般高于850 ℃，而軋制后采用空冷的方式進行冷卻，硬度值遠高于250 HV1。因此需要在軋制后，以一定的冷卻速度降至適當溫度，然后進行保溫，從而獲得符合要求的硬度值和組織。

研究結果顯示，等溫轉前冷卻速度為1 ℃/s，在700～650 ℃等溫轉變30 min,可獲得≤250 HV1硬度值和鐵素體+珠光體組織；而等溫轉前冷卻速度為3和6 ℃/s，在700～670 ℃等溫轉變30 min，可獲得≤250 HV1硬度值和鐵素體+珠光體組織。該研究結果為鋼廠在圓鋼軋后的冷卻和保溫工藝制定提供參考，鋼廠根據自身工藝設備的控制能力，選擇不同的冷卻速度和保溫溫度。