淬火與回火工藝對42CrMo鋼顯微組織和奧氏體晶粒長大規律的影響

李鴻娟，向成功，吳 瓊，王正才

(1. 寧波職業技術學院，浙江 寧波 315800； 2. 瓦房店軸承集團有限公司，遼寧 瓦房店 116300；3. 湖南人文科技學院，湖南 婁底 417000)

42CrMo鋼因具有高強度、高韌性、淬透性較好和無明顯回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊能力且低溫沖擊性能良好，成為制造業關鍵零部件的主選材料[1-2]。熱處理工藝是實現42CrMo鋼優良性能的關鍵，也是研究的重點。不同應用領域對42CrMo鋼的使用性能提出了不同的要求，隨著材料使用極端化、長久性等要求的提高，對其性能提出了更高的要求[3-7]，為了系統全面地研究熱處理工藝對42CrMo鋼組織的影響，本文研究了淬火和回火工藝參數對42CrMo鋼顯微組織的影響，分析其奧氏體晶粒的長大規律[8-11]，為實際生產42CrMo鋼的熱處理工藝制定提供試驗依據和理論基礎。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料為經鑄造、熱軋后的42CrMo鋼棒材，其化學成分如表1 所示。沿棒材軋制方向制取15 mm×15 mm×15 mm的正方體小塊試樣，根據試驗鋼的Ac3為800 ℃，設定不同的淬火和回火工藝，將試樣置入加熱爐分別進行不同工藝參數的熱處理：①將試樣分別加熱到860、880、900、920和940 ℃，保溫30 min 后油冷；②將試樣加熱到860 ℃，分別保溫30、60和120 min后油冷；③將試樣加熱至880 ℃，保溫30 min后油冷，再分別進行200、400和600 ℃的回火處理，保溫30 min，空冷。具體工藝方案如圖1 所示。

表1 試驗用42CrMo鋼的化學成分(質量分數，%)

圖1 42CrMo鋼的熱處理工藝示意圖(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3Fig.1 Schematic diagram of heat treatment processes for 42CrMo steel(a) process 1； (b) process 2； (c) process 3

將熱處理后的試樣磨拋后分別用4%的硝酸酒精、飽和苦味酸溶液進行腐蝕，采用Leica DMI 8C型倒置光學顯微鏡對試樣的顯微組織和奧氏體晶粒尺寸進行觀察。根據GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》，采用截點法對奧氏體的晶粒尺寸進行測定，測量時任取10個視場，每個視場沿縱向、橫向各測量1次，最終取所得奧氏體晶粒尺寸測量值的平均值，然后根據所得奧氏體晶粒尺寸數據，利用Beck公式進行數學回歸分析，得出不同溫度下的奧氏體晶粒生長動力學方程。

2 試驗結果與分析

2.1 淬火溫度對顯微組織的影響

圖2為42CrMo鋼在不同淬火溫度下的顯微組織。從圖2可以看出，原始軋制態42CrMo鋼的顯微組織主要為鐵素體(F)+珠光體(P)。當42CrMo鋼經860 ℃淬火時的顯微組織主要為板條馬氏體+片狀碳化物和殘留奧氏體；在880 ℃淬火時的顯微組織仍以板條馬氏體為主，且有很多彌散分布的粒狀碳化物，在馬氏體板條之間還夾雜著殘留奧氏體。隨著淬火溫度的繼續升高，板條馬氏體更加密集，粒狀碳化物的數量減少，同時仍然存在少量殘留奧氏體。這主要由于隨著淬火溫度的升高，碳的擴散愈加均勻，使得顯微組織更加均勻地向板條馬氏體轉化。

2.2 淬火保溫時間對顯微組織的影響

圖3為42CrMo鋼經860 ℃保溫不同時間淬火后的顯微組織。從圖3可以看出，保溫時間越長，珠光體向奧氏體轉變得越完全；當保溫時間為30 min時，42CrMo鋼的顯微組織基本由板條馬氏體組成，但仍有少量未溶解的滲碳體存在，說明此時奧氏體化基本完全。保溫時間延長到60 min時，板條馬氏體仍保持較細小的形態，滲碳體幾乎溶解完全。繼續延長保溫時間到120 min時，板條馬氏體組織明顯變長，逐漸變得粗大。

圖2 不同淬火溫度下42CrMo鋼的顯微組織(a)軋制態；(b)860 ℃；(c)880 ℃；(d)900 ℃；(e)920 ℃；(f)940 ℃Fig.2 Microstructure of the 42CrMo steel after quenching at different temperatures(a) as-rolled; (b) 860 ℃; (c) 880 ℃; (d) 900 ℃; (e) 920 ℃; (f) 940 ℃

圖4 42CrMo鋼經880 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 42CrMo steel after quenching at 880 ℃ and tempering at different temperatures(a) 200 ℃; (b) 400 ℃; (c) 600 ℃

2.3 回火工藝對顯微組織的影響

圖4為42CrMo鋼經880 ℃淬火和不同溫度回火后的顯微組織。從圖4可以看出，42CrMo鋼經880 ℃淬火和200 ℃回火后的組織由板條馬氏體轉變為回火馬氏體，此時馬氏體中的原子活動能力增強，過飽和碳開始逐步以碳化物的形式析出，因此仍存在條片狀碳化物。當回火溫度升高到400 ℃時，42CrMo鋼的主要顯微組織為回火馬氏體+回火索氏體，但殘留奧氏體已經基本溶解，從過飽和固溶體中析出的碳化物轉變為顆粒狀的滲碳體。當回火溫度達到600 ℃時，組織已經轉變為回火索氏體，細粒狀滲碳體均勻分布在基體上。

2.4 奧氏體晶粒長大規律

圖5為不同淬火溫度下42CrMo鋼的奧氏體晶粒形貌。由圖5可以看出，隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒的尺寸逐漸增加。當淬火溫度為860 ℃時，42CrMo鋼的奧氏體晶粒尺寸較小，約為16.356 μm。當淬火溫度為900 ℃時，奧氏體晶粒尺寸有了明顯長大，較860 ℃時增加約30%。當淬火溫度升高到920 ℃時，奧氏體晶粒尺寸長大較緩慢。當淬火溫度繼續升高到940 ℃時，奧氏體晶粒尺寸粗大，約為21.389 μm。圖6為不同淬火溫度下的奧氏體晶粒平均尺寸，從圖6可以看出，淬火溫度為860～900 ℃時，奧氏體晶粒長大明顯，淬火溫度為920～940 ℃時，奧氏體晶粒長大較緩慢。

圖5 42CrMo鋼在不同淬火溫度下的奧氏體晶粒形貌Fig.5 Grain morphologies of austenite in the 42CrMo steel after quenching at different temperatures(a) 860 ℃; (b) 880 ℃; (c) 900 ℃; (d) 920 ℃; (e) 940 ℃

圖6 42CrMo鋼不同淬火溫度下的奧氏體晶粒平均尺寸Fig.6 Average grain size of austenite in the 42CrMo steel after quenching at different temperatures

2.5 奧氏體晶粒長大動力學方程

根據2.4節中不同淬火溫度下的奧氏體晶粒尺寸變化規律，采用Beck晶粒長大模型[8-11]對42CrMo鋼的奧氏體晶粒長大規律進行擬合：

D=Aexp(-Q/RT)

(1)

式中：A為與保溫時間有關的常數；Q為奧氏體晶粒長大激活能，J·mol-1；R為氣體常數，8.314 J·mol-1·K-1；T為絕對溫度，K。對式(1)兩邊同時取對數，得到式(2)：

lnD=lnA-Q/RT

(2)

結合圖6所示不同淬火溫度下的晶粒尺寸，利用式(2)進行線性擬合，得到42CrMo鋼的奧氏體晶粒長大激活能為2.62×103J·mol-1，常數A=3.53×102，則奧氏體晶粒長大方程如式(3)所示：

D=3.53×102exp(-2.62×103/RT)

(3)

3 結論

1) 隨著淬火溫度的升高，42CrMo鋼顯微組織中板條馬氏體更加密集，片狀碳化物逐漸轉變為粒狀碳化物且數量減少。隨著淬火保溫時間的延長，奧氏體化程度越完全，馬氏體細小，但延長保溫時間到120 min時，板條馬氏體組織逐漸變得粗大。

2) 隨著回火溫度的升高，42CrMo鋼的顯微組織向回火馬氏體、回火屈氏體和回火索氏體轉變。當回火溫度達到600 ℃時組織已經轉變為回火索氏體，細粒狀滲碳體均勻分布在基體上。

3) 隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸逐漸增加。根據奧氏體晶粒尺寸變化規律，采用Beck晶粒長大模型對42CrMo 鋼的奧氏體晶粒長大規律進行擬合，得到奧氏體晶粒長大激活能為2.62×103J·mol-1。