JMatPro在42CrMo4鋼熱處理工藝設計中的應用

代玉杰

(青島金鏈檢測技術服務有限公司,山東 青島 266705)

42CrMo4鋼作為一種優質中碳合金結構鋼,具有較高的淬透性,一般調質處理后具有較高的抗拉強度、疲勞強度以及良好的耐磨性和韌性,常用于制造齒輪、軸、螺栓和連接桿等關鍵的大尺寸零件[1-8]。42CrMo4鋼作為鏈條的鏈板,其在使用過程中承受著一定的動載荷及沖擊載荷,因此對其疲勞性能要求比較高,熱處理工藝的制定就顯得尤為重要。JMatpro計算軟件是一套功能強大的金屬材料相圖計算與材料性能模擬軟件,可以用來計算金屬材料多相平衡與多種性能,廣泛應用于相轉變的計算以及金屬材料的熱處理設計[9]。為此本文利用JMatpro計算軟件對42CrMo4合金鋼進行相轉變和熱力學計算,研究42CrMo4合金鋼的熱力學和淬火性能等,為42CrMo4鋼鏈板的熱處理工藝制定提供相應的理論依據。

1 合金成分及熱力學計算

42CrMo4合金鋼的化學成分見表1。將表1中的成分輸入到JMatpro 軟件中進行熱力學計算,圖1為42CrMo4合金鋼的平衡相組成計算結果。由圖1可知,42CrMo4合金鋼液相線溫度為1492.4 ℃,在724 ℃以下主要由鐵素體(占93.63%)和滲碳體(占5.94%)組成,另外還有0.43% M23C6碳化物。奧氏體臨界轉變溫度 Ac1為724 ℃、Ac3為770 ℃,當溫度達到736 ℃時,滲碳體完全溶解。

圖1 42CrMo4鋼平衡相組成Fig.1 Equilibrium phase composition of 42CrMo4 steel

表1 42CrMo4鋼化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of 42CrMo4 steel(mass fraction,%)

圖2為吉布斯自由能隨溫度變化曲線。由圖2可知,隨著溫度的升高,Cr、Mn、Mo等合金元素的吉布斯自由能總體呈線性趨勢降低;但在724 ℃發生奧氏體轉變時,C、Mn的自由能下降較快,而 Cr、Mo的自由能反而出現緩慢上升的現象;當奧氏體轉變結束后,所有合金元素的自由能繼續下降。

圖2 吉布斯自由能隨溫度變化曲線Fig.2 Change curve of Gibbs free energy with temperature

通過軟件的快捷鼠標功能可以得到不同加熱速度時42CrMo4合金鋼的A1、A3以及奧氏體均勻化溫度和時間的關系,即合金的TTA圖[10],如圖3所示。表2為加熱速度對42CrMo4合金鋼奧氏體化參數的影響。由表2可知,隨著加熱速度的增加,合金的相變溫度均提高,奧氏體均勻化溫度也提高,奧氏體均勻化時間減少,即加熱速度越大,合金在高溫下的保溫時間減少。

圖3 42CrMo4合金鋼的TTA圖Fig.3 TTA diagram of 42CrMo4 alloy steel

表2 加熱速度對42CrMo4合金鋼奧氏體化參數的影響Table 2 Effect of heating speed on austenitizing parameters of 42CrMo4 alloy steel

熱處理加熱速度會受到工件結構、合金熱導率和熱處理爐功率等多種因素的影響[11]。同時,淬火溫度與A3溫度有關,為保證合金完全奧氏體化又不引起奧氏體晶粒過分粗大,因此選取淬火溫度860 ℃。在42CrMo4合金鋼的CCT、TTT曲線計算時,奧氏體化溫度均選擇為860 ℃,奧氏體化升溫速度選擇為30 ℃/min。

2 熱處理參數計算

2.1 TTT和 CCT曲線模擬計算

TTT 曲線(C曲線)是反映過冷奧氏體等溫冷卻時,轉變產物類型以及轉變量與時間、溫度之間的關系曲線[12]。圖4為42CrMo4合金鋼的TTT曲線。由圖4可知,42CrMo4合金鋼在奧氏體化后冷卻時開始析出鐵素體的溫度為769.3 ℃,珠光體開始析出的溫度為741.9 ℃,貝氏體開始析出的溫度為563.8 ℃,馬氏體開始轉變的溫度為320 ℃,轉變結束的溫度為201.8 ℃。42CrMo4合金鋼的 TTT 曲線中有兩個“鼻尖”,一個為珠光體轉變,另一個為貝氏體轉變。珠光體“鼻尖”溫度為620 ℃,在此溫度持續保溫35 s后開始析出珠光體,保溫477 s后全部轉換成珠光體。貝氏體“鼻尖”轉變溫度為480 ℃,在此溫度持續保溫3.5 s后開始析出貝氏體,保溫82 s后全部轉換成貝氏體。

圖4 42CrMo4合金鋼的TTT曲線Fig.4 TTT curve of 42CrMo4 alloy steel

CCT曲線可綜合反映過冷奧氏體在連續冷卻轉變過程時的轉變溫度、時間和轉變量之間的關系,是分析轉變產物組織與性能的依據,也是制定熱處理工藝的重要參考資料[13]。圖5為 42CrMo4合金鋼的CCT曲線,表3為不同冷卻速度下42CrMo4合金鋼的力學性能與相組織含量。根據表3數據顯示,要想獲得馬氏體,臨界冷卻速度必須大于10 ℃/s。

圖5 42CrMo4合金鋼CCT曲線Fig.5 CCT curve of 42CrMo4 alloy steel

表3 不同冷卻速度下42CrMo4鋼的力學性能與相組織含量Table 3 Mechanical properties and phase structure content of 42CrMo4 steel at different cooling rates

2.2 Jominy 淬透性模擬計算

淬透性是指鋼在一定條件下淬火時獲得馬氏體組織深度的能力,通常采用末端淬火試驗測定鋼的淬透性[14]。冷卻速度是決定馬氏體轉變量的關鍵因素,越靠近中心,冷卻速度越慢,馬氏體轉變量越少,一般規定從表面到50%非馬氏體深度的距離稱為淬硬層深度[15]。

圖6為42CrMo4合金鋼力學性能隨端面距離的變化曲線。由圖6可知,在淬火端表面,42CrMo4合金鋼的強度和硬度值最高,屈服強度為1939.03 MPa,抗拉強度為2122.03 MPa,硬度為59.15 HRC。隨著距離淬火端表面距離的增大,42CrMo4合金鋼的屈服強度、抗拉強度和硬度均逐漸降低。在距離端面0.5～2.0 cm時,強度和硬度急劇下降,在距離端面2.0 cm時,硬度下降到39.85 HRC;當距離端面超過2.0 cm時,強度和硬度的下降速度趨于平穩。

圖6 42CrMo4合金鋼力學性能隨端面距離的變化曲線Fig.6 Change curve of mechanical properties with end face distance for 42CrMo4 alloy steel

圖7為42CrMo4合金鋼相組成隨端面距離變化曲線。由圖7可知,在淬火端表面,42CrMo4合金鋼中馬氏體含量最高,馬氏體含量的高低直接影響鋼的強度和硬度。隨著距離端面距離的增大,馬氏體的含量逐漸降低,貝氏體的含量逐漸升高,當距離端面0.8 cm左右時,馬氏體和貝氏體的含量幾乎相等。而隨著距離淬火端面距離的增大,鐵素體和珠光體的含量逐漸增加。

圖7 42CrMo4合金鋼相組成隨端面距離的變化曲線Fig.7 Change curve of phase composition with end face distance for 42CrMo4 alloy steel

2.3 回火工藝參數

圖8為不同回火工藝對42CrMo4合金鋼硬度的影響。由圖8可知,隨著回火溫度的提高,42CrMo4合金鋼的硬度逐漸降低;隨著回火時間的延長,其硬度也逐漸降低。

圖8 回火工藝對42CrMo4合金鋼硬度的影響Fig.8 Effect of tempering process on hardness of 42CrMo4 alloy steel

3 42CrMo4合金鋼鏈板熱處理工藝

3.1 淬火溫度和保溫時間

鏈板在鏈條使用過程中承受交變拉伸、彎曲和沖擊載荷,在鉸鏈傳動時鏈板還產生側向摩擦,因此鏈板應具有良好的綜合力學性能。對于普通的調質熱處理,淬火溫度會選取該材質Ac3以上50～100 ℃,但在熱處理過程中為了防止加熱不足或提升加熱速度,通常會選擇溫度上限作為淬火溫度。根據42CrMo4合金鋼熱力學計算得到Ac3為770 ℃,因此42CrMo4合金鋼鏈板的淬火溫度設定為860 ℃。熱處理的碳勢根據42CrMo4合金鋼的含碳量設定為0.45。熱處理設備為連續式網帶爐,一般網帶爐的加熱速度是1 mm/min,當鋪料厚度為30 mm時,只需要30 min就可以熱透;另外,奧氏體化時間為10 min,因此保溫時間最短只需要40 min。

3.2 回火溫度和時間

鏈板硬度要求為45～50 HRC,根據圖8選取回火溫度為350±10 ℃,保溫時間120 min。42CrMo4合金鋼鏈板的熱處理工藝參數見表4。

表4 鏈板熱處理工藝參數Table 4 Heat treatment process parameters of chain plate

3.3 硬度與組織

熱處理后隨機抽取10件42CrMo4合金鋼鏈板進行硬度檢測,硬度值為47～48 HRC,滿足標準要求,且硬度均勻、散差小。42CrMo4合金鋼鏈板的金相組織為均勻細致的回火屈氏體,無異常組織,如圖9所示。

圖9 鏈板的金相組織 Fig.9 Microstructure of chain plate

4 結論

1) 通過JMatpro軟件計算,42CrMo4合金鋼的奧氏體臨界轉變溫度 Ac1為724 ℃、Ac3為770 ℃,隨著加熱速度的增加,合金的相變溫度均提高,奧氏體均勻化溫度也提高,奧氏體均勻化時間減少。

2) 通過JMatpro軟件計算,獲得了42CrMo4合金鋼TTT曲線和CCT曲線,要獲得馬氏體,其臨界冷卻速度必須大于10 ℃/s。

3) 通過JMatpro軟件計算,獲得了42CrMo4合金鋼淬透性曲線以及回火溫度和時間對42CrMo4合金鋼硬度的影響。

4) 42CrMo4合金鋼鏈板熱處理工藝為860 ℃淬火保溫40 min、350 ℃回火保溫120 min,熱處理后其硬度為47～48 HRC,組織為均勻細致的回火屈氏體,滿足設計要求。