熱處理工藝對SAE4140鋼板組織和性能的影響

吳 揚，張 軍

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇江陰214400）

1 引言

SAE4140鋼屬于ASTM標準牌號，相當于國標42CrMo，具有高強度、高淬透性、高韌性特點[1]。SAE4140鋼板因其具有良好的力學性能及機械加工性能，被廣泛應用于機械制造、模具、車輛工程等領域，市場需求量很大[2]。

SAE4140鋼板通常是淬火+回火（QT）后交貨，但在SAE4140鋼板的調質熱處理過程中容易出現淬火后鋼板瓢曲或開裂等問題，造成客戶無法使用。尤其是薄規格（厚度≤15mm）鋼板，由于淬火冷卻時鋼板內應力大，淬火后瓢曲或開裂的傾向更大[3]。圖1所示某鋼廠厚度13mm的SAE4140鋼板淬火后邊部出現縱向開裂。針對此種情況，結合SAE4140鋼板成分和淬透性特性，本文擬通過研究正火+回火工藝（NT）和QT態鋼板的組織和性能，對比分析兩種交貨態下SAE4140鋼板性能的變化。在分析討論的基礎上制定出合理的正火+回火（NT）熱處理工藝，代替13mm厚度以下SAE4140鋼板調質（QT）工藝，滿足鋼板性能的前提下避免淬火開裂，而且降低熱處理生產成本。

圖1 SAE4140鋼板開裂

2 試驗材料及方法

試驗材料是采用150mm厚連鑄坯經加熱爐加熱、高壓水除鱗，經雙機架軋制成13mm厚的SAE4140鋼板，其化學成分如表1所示。結合SAE4140鋼板CCT曲線轉變特性和生產工藝裝備情況[4～5]，制定5種熱處理工藝對比試驗，具體熱處理工藝參數見表2所示。

表1 化學成分 %

表2 試驗鋼板熱處理工藝參數

鋼板熱處理試驗過程共取7塊試樣，其中正火和淬火試樣各1塊，其余5塊試樣為回火試樣。正火和淬火試樣檢測硬度和金相組織，回火試樣檢測拉伸性能、硬度和金相組織。所有檢驗均按照相關國家標準進行，根據GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》利用萬能試驗機檢測鋼板拉伸性能；根據GB/T231.1-2010《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》利用BH3000布氏硬度計檢測材料的硬度；金相試樣經制樣拋光及4%的硝酸酒精溶液腐蝕后利用光學顯微鏡觀測分析金相組織。

3 實驗結果與分析

3.1 正火和淬火態鋼板的組織和硬度。

圖2所示分別是SAE4140鋼板在加熱到850℃，保溫30min后分別空冷和水冷得到的試樣金相組織。正火試樣主要是貝氏體+少量馬氏體，淬火試樣主要是板條馬氏體組織。正火試樣布氏硬度檢測3點的平均值是355HBW，淬火試樣布氏硬度3點平均值是518HBW，兩種熱處理態試樣硬度都高于最終要求硬度269～321HBW。正火試樣組織較均勻，未發現明顯帶狀組織，布氏硬度小于淬火試樣163HBW，內應力相對較小，開裂風險低。

圖2 SAE4140鋼板正火和淬火態組織

3.2 不同回火工藝的組織和性能

根據正火和淬火態鋼板組織和硬度檢測結果，正火試樣分別加熱至500℃、520℃、540℃以及560℃，保溫90min進行回火，淬火試樣加熱至600℃，保溫90min回火。熱處理后檢測5塊回火試樣的金相組織、硬度和拉伸性能。檢測結果如下：

（1）組織。圖3中1#～4#試樣是正火鋼板在500℃～560℃溫度下回火后的微觀組織，4塊試樣組織都是回火索氏體，基體組織上彌散分布著顆粒狀碳化物，未發現板條或針狀形貌組織。但1#試樣可以看到明顯帶狀，隨著回火溫度升高，2#、3#和4#試樣帶狀組織逐漸淡化，碳化物分布更加均勻。5#試樣是QT態微觀組織，由圖3中可以發現原馬氏體板條束已經模糊，在原馬氏體板條束的截面處出現短棒狀碳化物，基體中彌散分布著較多碳化物顆粒，呈現典型回火索氏體形貌。

圖3 不同回火溫度下鋼板組織

（2）拉伸性能。對不同回火工藝處理的5塊鋼板進行拉伸性能檢測，結果如表3所示。

表3 不同熱處理工藝下的拉伸性能

由表3可知，5種熱處理工藝下的鋼板拉伸性能都滿足使用需求（屈服強度大于等于750MPa）。1#～4#試樣拉伸結果說明NT態鋼板強度隨著回火溫度提高逐漸降低，斷后延伸率略有提高。5#試樣回火溫度高于NT態試樣，但其拉伸性能與2#試樣相當，高于3#和4#試樣，這是由于淬火態鋼板以馬氏體為主，硬度和拉伸強度遠高于正火態鋼板，需要更高的回火溫度去除鋼板內應力，平衡鋼板性能。NT態鋼板在520℃～560℃溫度區間回火時其強度緩慢下降，趨于平穩，拉伸性能也與原QT態接近，工藝窗口較大，適合批量化生產。

（3）硬度。不同熱處理工藝鋼板硬度如圖4所示，鋼板布氏硬度都是檢測3點后的平均值。由圖4可得出，5種熱處理工藝下的鋼板硬度均都滿足使用需求（269～321HBW）。NT態鋼板硬度比正火態降低37～60HBW，QT態鋼板硬比淬火態降低213HBW，下降明顯。NT態鋼板硬度隨著回火溫度提高逐漸降低，但在540℃～560℃溫度區間趨于穩定，與QT態鋼板硬度相近。

圖4 不同回火溫度下SAE4140鋼板硬度

3.3 生產應用

根據本次SAE4140鋼板NT與QT熱處理對比試驗結果，制定了厚度15mm以下SAE4140鋼板正火+回火批量生產工藝：850℃正火，540℃～560℃回火。鋼板累計生產100多批次，性能合格率100%，而且板型良好，未出現開裂情況。

4 結論

（1）本次正火和淬火SAE4140薄鋼板對比發現，正火態鋼板組織以貝氏體為主，組織分布均勻，正火態鋼板硬度較淬火態鋼板低163HBW，內應力相對較小，開裂風險低。

（2）13mm厚正火+回火與淬火+回火SAE4140鋼板都是回火索氏體組織。NT態鋼板隨著回火溫度升高帶狀組織逐漸淡化，碳化物分布更加均勻。QT態鋼板微觀組織中馬氏體板條束已經模糊，在原馬氏體板條束的截面處出現短棒狀碳化物，基體中彌散分布著較多碳化物顆粒，呈現典型回火索氏體形貌。

（3）正火+回火SAE4140鋼板隨著回火溫度提高強度和硬度逐漸降低，斷后延伸率略有提高。在540～560℃溫度區間回火的NT態鋼板力學性能與原QT態工鋼板性能相近。

（4）結合試驗結果制定的正火+回火工藝，批量生產100多批次鋼板，性能合格率100%，而且未出現開裂現象，說明15mm以下SAE4140鋼板可以采用NT工藝代替QT工藝。