4340鋼與40CrNiMo鋼的熱處理特點

廖庚峰,李 豐,胡立嵩,黃家瑞,李彩虹,萬 謙

(江西洪都航空工業集團有限責任公司,江西 南昌 330095)

4340與40CrNiMo為兩種性能優良的調質鋼,具有良好的淬透性,淬火組織為90%馬氏體時,油淬臨界直徑55～66 mm,能制作大截面零件;在調質狀態下使用時,具有良好的強度和韌性,同時淬火后低溫回火也能獲得良好的綜合力學性能,可作超高強度鋼使用[1-2]。4340鋼與40CrNiMo鋼為兩種相似材料,但主要合金元素Ni、Mo含量略有差別,4340鋼與40CrNi2Mo鋼元素含量更為相近,三種材料的主要化學成分見表1。4340鋼與40CrNiMo鋼在航空制造企業都有使用,在日常工作中容易混淆,錯誤認為“4340鋼就是40CrNiMo鋼”,在相同的熱處理工藝下,兩種材料的機械性能有明顯的差別。本文研究兩種材料的常用熱處理工藝與性能,以便給日常工作提供參考與借鑒。

表1 三種材料的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of three materials (mass fraction,%)

1 試驗材料與方法

試驗材料為原材料狀態為正火+高溫回火的4340鋼和原材料狀態為退火的40CrNiMo鋼,制作成φ25 mm×20 mm的硬度試樣,兩種試驗材料實測化學成分見表2。試樣的熱處理工藝為：840 ℃完全退火和900 ℃正火熱處理;在760、780、800、830、850和870 ℃溫度下奧氏體化,油冷,其中850 ℃奧氏體化后的試樣采用不同的冷卻介質(普通淬火油、快速淬火油、清水、鹽水、硝鹽)進行冷卻;在496 ℃回火保溫1.5 h和4 h,670 ℃回火保溫1.5 h。

表2 兩種材料實測化學成分(質量分數,%)Table 2 Measured chemical composition of two materials (mass fraction,%)

采用HR-150A洛氏硬度計檢測退火、正火、淬火、回火試樣的硬度值,采用LEICA DMI5000M金相顯微鏡觀察試樣淬、回火組織。

2 試驗結果及分析

2.1 退火、正火硬度與分析

采用洛氏硬度計檢測原材料狀態為正火+高溫回火的4340鋼的硬度為25.0～27.0 HRC,原材料為退火狀態的40CrNiMo鋼的硬度為160～184 HB,均符合標準規定的退火或高溫回火后硬度≤269 HB的要求。

兩種試樣同爐進行熱處理,經過840 ℃完全退火后,4340鋼的硬度為32.0 HRC, 40CrNiMo鋼的硬度<180 HB;900 ℃正火,4340鋼的硬度為49.0 HRC,40CrNiMo鋼的硬度為31.0 HRC。兩種材料完全退火或正火后硬度差別非常大。

4340和40CrNiMo兩種材料的含碳量均在0.4%左右,合金元素Cr、Si、Mn含量也相近,但4340鋼中的Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo鋼。兩種材料的Ac3在760～810 ℃之間,完全退火和正火工藝均在Ac3以上,在奧氏體化后的冷卻過程中,合金元素使C曲線右移,4340鋼具有比40CrNiMo鋼更小的臨界冷卻速度(圖1、圖2、圖3、圖4)[1-2],因此4340鋼在一定的冷卻速度下,很難發生珠光體轉變,易發生貝氏體、馬氏體轉變。840 ℃完全退火爐冷過程中,700 ℃時冷卻速度<1.2 ℃/min,560 ℃時冷卻速度<0.5 ℃/min,冷卻至400 ℃以下出爐,40CrNiMo鋼已經全部發生珠光體轉變;而4340鋼的珠光體轉變不完全,發生部分的貝氏體轉變。如果4340鋼需要全部發生珠光體轉變,硬度<269 HB,需嚴格控制高溫轉變冷卻速度,705～565 ℃溫度下冷卻速度8 ℃/h,或在650 ℃等溫8 h,也可采用等溫球化退火工藝,見圖5。4340鋼完全退火或球化退火的時間都比較長,生產效率較慢,經濟效益差,因此4340鋼的原材料通常采用高回狀態供應。

圖1 4340鋼的等溫轉變曲線Fig.1 Isothermal transition curve of 4340 steel

圖2 40CrNiMo鋼的等溫轉變曲線Fig.2 Isothermal transition curve of 40CrNiMo steel

圖3 4340鋼的連續冷卻轉變曲線Fig.3 Continuous cooling transition curve of 4340 steel

圖4 40CrNiMo鋼的連續冷卻轉變曲線Fig.4 Continuous cooling transition curve of 40CrNiMo steel

圖5 4340鋼的球化退火工藝Fig.5 Spheroidization annealing process for 4340 steel

2.2 淬火硬度與分析

退火態和正火態4340鋼與40CrNiMo鋼分別在760、780、800、830、850和870 ℃溫度下淬火,油冷后試樣的硬度見圖6。由圖6可知,淬火溫度為760～870 ℃時,退火態和正火態4340鋼的硬度在54.5～56.0 HRC之間。淬火溫度為760 ℃時,退火態和正火態40CrNiMo鋼的硬度分別為45.0和49.5 HRC,淬火溫度為780～870 ℃時,退火態和正火態40CrNiMo鋼的硬度在53.0～53.5 HRC之間。4340與40CrNiMo為兩種相似材料,50%馬氏體硬度為45.0 HRC,90%馬氏體硬度為53.0 HRC,兩種材料淬火后的表面硬度應≥53.0 HRC,因此40CrNiMo鋼在760 ℃淬火油冷后的表面硬度不滿足要求。

圖6 不同淬火溫度下試樣的硬度Fig.6 Hardness of sample at different quenching temperatures

影響淬火硬度的因素有淬硬性、加熱溫度、保溫時間和冷卻方式等,淬火一般加熱到Ac3以上,充分奧氏體化后迅速冷卻到MS以下,以獲得馬氏體組織。4340鋼和40CrNiMo鋼的Ac3為760～810 ℃,除了合金元素對Ac3有影響外,試樣的原始組織對Ac3也有影響,比如細片狀珠光體比球狀珠光體更容易獲得奧氏體組織。40CrNiMo鋼在760 ℃加熱時,正火態試樣的淬火硬度高于退火態。4340鋼與40CrNiMo鋼均含有Cr、Ni、Mo等合金元素,淬透性較好,能以較低的冷卻速度獲得馬氏體組織,同時合金元素還能阻礙晶粒的長大,試樣充分奧氏體化后,在一定范圍內加熱溫度對淬火硬度幾乎沒有影響[3]。由于4340鋼中的Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo鋼,所以4340鋼的臨界冷卻速度和Ms低于40CrNiMo鋼,在相同冷卻速度下,4340鋼的淬火硬度略高于40CrNiMo鋼。

4340鋼與40CrNiMo鋼經850 ℃奧氏體化后,分別采用不同的冷卻介質進行冷卻,試樣的硬度見表3。采用普通淬火油、快速淬火油和清水冷卻時,試樣的淬火硬度沒有明顯差別。這是因為淬火冷卻速度與淬火介質的淬火烈度、攪拌速度、冷卻方式等因素有關,而4340鋼和40CrNiMo鋼有較低的臨界冷卻速度和較寬的臨界冷卻速度帶,在一定的冷卻速度下,淬火硬度沒有明顯差別。采用10%鹽水淬火冷卻時,試樣的淬火硬度約為60.0 HRC,極快的淬火冷卻速度下,馬氏體具有更高的過飽和固溶度。采用190 ℃硝鹽槽中保溫40 min的冷卻方式,4340鋼和40CrNiMo鋼的淬火硬度分別為53.0 HRC和51.5 HRC,在190 ℃硝鹽中冷卻得到馬氏體和少量貝氏體,在205 ℃低溫回火后可用于需要超高強度的零件。

表3 不同冷卻介質下試樣的淬火硬度(HRC)Table 3 Quenching hardness of sample at different cooling media

2.3 回火硬度與分析

不同淬火狀態的試樣在496 ℃回火1.5 h和4 h,回火后試樣硬度值見表4。由表4可知,4340鋼的回火硬度在40.5～42.0 HRC之間,40CrNiMo鋼的回火硬度在34.0～40.0 HRC之間;相同的淬、回火工藝下,4340鋼的硬度均高于40CrNiMo鋼;回火時間對兩種材料的硬度影響比較小。并對850 ℃淬火、油冷試樣進行670 ℃高溫回火保溫1.5 h,4340與40CrNiMo試樣的硬度分別為28.0 HRC和26.5 HRC。

表4 不同熱處理狀態試樣的回火硬度(HRC)Table 4 Tempering hardness of sample in different heat treatment states

回火硬度與淬火硬度、回火溫度、回火時間和合金元素等因素有關,受Cr、Mo元素的影響,496 ℃正好是合金碳化物析出溫度。由于496 ℃回火溫度較低,彌散未長大的碳化物補償了亞結構變化造成的硬度降低,同時還有二次硬化作用,因此496 ℃回火后試樣的硬度降低不明顯,且回火時間對硬度影響較小。

2.4 金相組織

圖7為不同熱處理狀態試樣的金相組織。圖7(a)為退火態40CrNiMo原材料的金相組織,根據鐵素體形貌和碳化物顆粒,可推斷為熱軋后不完全退火,碳化物顆粒長大明顯,硬度較低,為160～180 HB;完全退火態4340原材料的組織為細片狀珠光體+鐵素體,硬度較高,為32.0 HRC,見圖7(b)。900 ℃正火后40CrNiMo鋼的組織為鐵素體+索氏體+貝氏體的混合組織,見圖7(c);而4340鋼因有較低的臨界冷卻速度,900 ℃正火后得到了馬氏體,硬度高達49.0 HRC,由于合金中含有Mo元素,正火后馬氏體長大不明顯,見圖7(d)。淬火溫度一般在Ac3以上30～50 ℃,得到隱針狀馬氏體和少量的鐵素體組織。因退火態40CrNiMo原材料的退火組織提高了Ac3,在760 ℃加熱不能完全奧氏體化,還有較多未溶鐵素體組織,見圖7(e),淬火后硬度為45.0 HRC,近似50%馬氏體硬度。兩種材料經670 ℃高溫回火后的組織均為索氏體,析出的碳化物長大成顆粒狀,強度、硬度較低,但塑性、韌性較高,見圖7(g)、7(h)。兩種材料在850 ℃淬火加熱后,轉移至190 ℃硝鹽中保溫40 min,獲得馬氏體和極少的貝氏體組織,與油冷所得到馬氏體略有差別,幾乎沒有針狀馬氏體,多為板條狀馬氏體;另外,奧氏體在連續冷卻過程中,因溫度較高,碳發生了擴散、轉移,造成淬火馬氏體含碳量降低,馬氏體硬度較低[4-6]。

(a)退火態40CrNiMo原材料;(b)完全退火態4340原材料;(c)40CrNiMo鋼,900 ℃正火;(d)4340鋼,900 ℃正火(e)40CrNiMo鋼,760 ℃淬火+496 ℃回火;(f)4340鋼,760 ℃淬火+496 ℃回火;(g)40CrNiMo鋼,850 ℃淬火+670 ℃回火;(h)4340鋼,850 ℃淬火+ 670 ℃回火;(i)40CrNiMo鋼,190 ℃等溫;(j)4340鋼,190 ℃等溫圖7 不同熱處理狀態試樣的金相組織(a)annealed 40CrNiMo raw material;(b)fully annealed 4340 raw material;(c)40CrNiMo steel, normalized at 900 ℃;(d)4340 steel, normalized at 900 ℃;(e)40CrNiMo steel,quenched at 760 ℃+tempered at 496 ℃;(f)4340 steel,quenched at 760 ℃+tempered at 496 ℃;(g)40CrNiMo steel,quenched at 850 ℃ +tempered at 670 ℃;(h)4340 steel,quenched at 850 ℃+tempered at 670 ℃;(i)40CrNiMo steel, 190 ℃ isothermal;(j)4340 steel,190 ℃ isothermalFig.7 Microstructure of sample in different heat treatment states

3 結論

1)4340鋼中Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo鋼,但C曲線右移,發生珠光體轉變需要較低的冷卻速度,840 ℃加熱隨爐冷至400 ℃以下出爐的完全退火后,4340鋼的硬度為32.0 HRC,而40CrNiMo鋼的硬度<180 HB。

2)4340鋼與40CrNiMo鋼均有較高的淬透性,但4340鋼的臨界冷卻速度低于40CrNiMo鋼,在900 ℃正火后,4340鋼獲得馬氏體組織,硬度為49.0 HRC;而40CrNiMo鋼正火組織為鐵素體+索氏體+貝氏體的混合組織,硬度為31.0 HRC。

3)在780～870 ℃淬火溫度下,4340鋼與40CrNiMo鋼均已經完全奧氏體化,且合金元素有阻礙晶粒長大的作用,故在780～870 ℃溫度范圍內,加熱溫度對淬火硬度沒有影響。

4)在相同的淬、回火工藝下,4340鋼的硬度略高于40CrNiMo鋼,這是因為4340鋼具有比40CrNiMo鋼更低的臨界冷卻速度和Ms。