合金元素及顯微組織對42CrMo 合結鋼硬度的影響

吳俊雄

42CrMo 是工業上常用的合金結構鋼，調質后具有較高的疲勞強度和低溫沖擊韌性，且無明顯的回火脆性，被廣泛用于制造高強度、較大斷面尺寸的重要機械零件，如機車牽引齒輪、增壓器齒輪、后軸、連桿等，也可用于大中型塑料模具。湘潭鋼鐵集團有限公司生產的42CrMo 棒材主要用于制造汽車轉向節、轉向臂、曲軸、前橋等，用戶普遍反映鋼材熱軋狀態下硬度偏高，給剪切下料和后續零件機械加工都帶來一定困難。然而，我國汽車行業對材料成分在標準范圍內的精確控制、成分均勻性控制、材料淬透性和交貨組織狀態等均未作具體規定，使汽車用鋼的生產和使用受到明顯影響。此外，軋制后的冷卻條件不穩定，外部環境及工藝條件對熱軋鋼材的硬度穩定性有較大影響。本文通過對熱軋棒材定點取樣進行特定元素成份分析與微觀組織金相分析，同時與國內其它典型特鋼企業同類產品開展類比分析，探討42CrMo 棒材產品硬度偏高的原因，以期找到改善產品質量的方法和途徑。

1 實驗材料和方法

本實驗采用湘鋼生產的42CrMo 棒材，其化學成份（質量分 數，%）為0.43C，0.19Si，0.67Mn，1.12Cr，0.19Mo，0.019Ni，0.0032Ti，0.029Cu。

在熱軋空冷的42CrMo 棒材上取樣，將棒材沿橫截面剖開，測量沿橫截面直徑上各點的硬度值，并使用定點鉆樣化學成份分析法檢測各硬度測試點的合金元素含量；對試樣橫截面進行加工，經粗磨、拋光處理后，用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕以觀察其顯微組織。

2 實驗結果與討論

2.1 合金元素含量檢測

調質鋼中加入的合金元素主要有Mn、Mo、Cr、Ni 等，在細化晶粒的同時提高鋼的淬透性。錳固溶于鋼中有固溶強化的作用，錳強化奧氏體或鐵素體的作用不及C、P、Si，但在提高強度的同時，對延展性無影響；此外，錳能使鋼的調質組織均勻、細化，避免了滲碳層中碳化物的聚集成塊。鉻與鐵形成連續固溶體，能與碳形成多種碳化物，小于一定量（6%）的鉻既能阻止滲碳體型碳化物的聚集、長大，又提高了馬氏體的分解溫度，從而有效的提高了鋼的回火抗力。鉬是高溫難熔的金屬，在鋼中的主要作用是可以細化晶粒，減少鋼的過熱傾向，提高鋼的熱強性、回火穩定性、淬透性，防止回火脆性，同時在鋼中可以形成多種碳化物（MC、M2C、M6C），產生二次強化。

對湘鋼與西寧特鋼、石家莊鋼鐵廠42CrMo 棒材樣品進行合金元素含量分析，得到其平均成份，檢測結果如表1 所示。

表1 各鋼廠試樣合金元素成分對比%

所檢測的各鋼廠試樣合金元素含量均在國標規定的范圍之內，但由于國內汽車行業并未對這類鋼材的化學成分做出具體規定，因此無法比較湘鋼與其它兩廠的合金元素控制水平的優劣。使用以下碳當量計算公式：CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15。

計算得到各測量點的合金元素碳當量，對比對應測量點的硬度值之后，發現試樣的硬度與碳當量具有較明顯的線性關系，硬度與碳當量的回歸方程如下：HB=-129.6+471.76Ce。

2.2 合金元素分布

在控制軋制中，主要利用的強化手段包括固溶強化、沉淀強化、晶界強化、亞晶強化和位錯強化。對于低合金鋼而言，可以將固溶強化看作是基體的強化機制，與軋制制度無關。而鋼中Mn、Si、Cr、Ni 都能構成置換固溶體，促使屈服強度和抗拉強度呈線性上升，因此鋼中合金元素的分布對鋼的強度和硬度有很大影響。按圖1 所示對各鋼廠產品進行硬度分析，獲得的硬度檢測結果圖2 所示。

圖1 硬度與成分檢測位置

圖2 硬度檢測結果

在硬度與合金元素含量的檢測點中，1 點～4 點處于中心部位，5 點～8 點處于邊部，通過硬度測試發現湘鋼試樣的硬度較高，較其它兩廠高出30HBW 以上，硬度最高點達到268HBW。三廠試樣的硬度分布范圍為石鋼樣品硬度為200HB ～227HB，湘鋼為238HB ～266HB，西寧為184HB ～195HB，可見湘鋼試樣與石鋼硬度范圍都較大。GB/T3077-2015 中規定42CrMo 棒材交貨狀態為熱軋，退火后硬度不大于217HBW；而實際生產中，由于合金元素含量、軋制工藝與冷卻速度的影響，42CrMo 的熱軋后組織中很容易出現貝氏體，從而使硬度與強度提高，很容易超過國標規定的上限值，由于用戶使用時不會進行退火處理，所以如果鋼材原始強度、硬度過高的話，會給用戶下料、加工帶來諸如工作效率降低、工具損耗加大等一系列問題；為分析合金元素分布對硬度值的影響，采用定點鉆樣化學成分分析方法檢測了各位置主要合金元素的含量，測量結果如下所示。（圖3）。

圖3 各廠合金元素分布a）碳分布，b）錳分布，c）鉻分布，d）鉬分布

從碳元素的分布情況看，湘鋼試樣碳的分布比其它兩廠的試樣都更均勻。在中心處的5 ～8 檢測點處，碳含量都比邊部的更高，西寧鋼廠試樣的碳分布也存在這一現象，但西寧試樣各測試點的硬度差別很小。因此，碳的分布規律并不能很好的解釋硬度異常現象。對Mn、Cr、Mo 等元素的發現，湘鋼試樣中這幾種元素的含量都較高，這可能是造成湘鋼42CrMo 棒材硬度較高的原因之一。在分布規律上，西寧鋼廠試樣的合金元素分布很均勻，邊部與中心各點的含量基本沒有差別。石鋼和湘鋼試樣的合金元素在中心位置的含量比邊部低，且湘鋼試樣的合金元素沒有石鋼、西寧兩廠的均勻。

由上分析可知，三廠試樣的合金元素分布與硬度有較好的對應關系。總體來說，湘鋼試樣合金元素含量普遍較高，且分布較不均勻，造成其硬度較高且硬度值波動較大。因此，為改善湘鋼42CrMo 質量，可以適當降低合金元素含量，并改善合金元素的分布情況。

2.3 顯微組織觀察

合金元素的固溶強化只是鋼材的強化手段之一，對于合金鋼，珠光體含量及形態對材的力學性能也有很大影響，并且從以上合金元素的分布情況看，其含量的變化是處在0.01%的數量級上，可能并不是造成硬度波動大的唯一原因。因此，為觀察各鋼廠試樣的微觀組織狀況，在棒材橫截面的中心和距棒材表面1/2半徑處取樣，經粗磨、拋光、腐蝕制得金相試樣，觀察湘鋼試樣邊部與中心位置的顯微組織如下。（圖4）。

圖4 湘鋼42CrMo 鋼金相顯微組織a）邊部位置；b）中心位置

由金相圖片可以看出42CrMo 鋼顯微組織為珠光體和鐵素體，其中珠光體占大多數，白色組織為網狀鐵素體。邊部位置的組織與中心位置相比，珠光體晶粒更加細小，珠光體所占面積百分比較大，由此產生的細晶強化作用使42CrMo 棒材邊部的硬度較高。珠光體按形貌可分為片狀、粒狀、針狀、類珠光體和相間沉淀等，在A1 稍下的高溫區（過冷度較小），奧氏體將分解為片狀珠光體，但若是過冷奧氏體中存在剩余碳化物或者成分不均勻時，也可能形成粒狀珠光體。當冷卻速度稍快時，過冷度增大，則分解成細片狀珠光體或點狀珠光體。本文使用金相圖像分析軟件的面積法對各試樣的鐵素體含量和晶粒度進行檢測，圖像分析得出湘鋼試樣邊部和中心的晶粒度分別為11 級和9.6 級，鐵素體含量分別為9.5%和15%。可見在鋼的成分一定時，隨著冷卻速度的增加，轉變溫度相應降低，顯微組織中先共析鐵素體含量逐漸減少，珠光體含量逐漸增多。42CrMo 棒材軋后冷卻過程中，棒材靠近表面位置由于直接與冷卻介質即空氣接觸，冷卻速度較棒材心部更快，因此而造成棒材邊部與中心軋態組織硬度的波動較大，對后續加工造成一定影響。

對比分析西寧特鋼與石鋼試樣金相組織如下。（圖5）。

圖5 金相組織：a）西寧試樣邊部；b）西寧試樣中心；c）石鋼試樣邊部；d）石鋼試樣中心

圖像分析得出西寧特鋼試樣邊部和中心晶粒度分別為8.6級和7.8 級，鐵素體含量分別為14.3%和19.2%。石鋼試樣邊部和中心晶粒度分別為10 級和9.5 級，鐵素體含量分別為9.7%和16.9%。可以發現湘鋼試樣晶粒度更細，鐵素體含量也更少并成網狀分布。鋼材終軋溫度過高，出現比較粗大的奧氏體晶粒，而后續采用較快的冷卻速度，便會導致先共析鐵素體沿奧氏體晶界呈網狀析出。一般情況下，網狀鐵素體的存在會減小晶界的強化作用，使鋼材的強度和韌性都降低，但湘鋼試樣中鐵素體含量較少，網狀鐵素體對鋼材硬度的影響較小，湘鋼試樣的硬度高主要是因為試樣晶粒尺寸較小，且珠光體含量較高。西寧特鋼試樣邊部有較粗大的網狀鐵素體組織，心部鐵素體呈現塊狀，其邊部網狀鐵素體能使鋼材的力學性能降低，在一定程度上減小邊部硬度，使棒材橫截面上硬度的波動減小，硬度分布均勻。因此，按照42CrMo 鋼的CCT 曲線，軋后冷卻速度應小于0.8℃/s。為減小湘鋼試樣的硬度波動，應采用較低的冷卻速度，并在冷床上增加保溫罩，使棒材橫截面硬度有效降低且均勻。

3 結論

（1）檢測發現42CrMo 鋼棒材合金元素含量較高，使其硬度偏高。通過采用鉆點取樣化學分析方法測定各硬度測試點的合金元素含量，線性回歸獲得硬度與碳當量的回歸方程：HB=-129.6+471.76Ce。

（2）湘鋼42CrMo 鋼棒材的合金元素分布均勻性不如西寧特鋼和石鋼同產品，造成其橫截面上硬度值分布范圍較大。

（3）金相圖像分析發現湘鋼試樣的晶粒直徑較大，邊部晶粒度為11 級，中心為9.6 級，使鋼材硬度偏高，并且邊部和中心硬度差別較大，不利于后續加工，應降低鋼材軋后冷卻速度。

（4）合金元素含量可以按標準中限控制，既可降低成本，又可降低棒材硬度。

（5）適當調整結晶器、凝固末端電磁攪拌參數，改善鑄坯橫斷面合金元素分部，能有效改善熱軋棒材橫斷面硬度均勻性。

（6）增加冷床保溫罩，使棒材冷卻速度降低到0.8℃/s 以下，棒材硬度能有效降低并改善橫截面硬度均勻性。