4140钢热轧调质材生产工艺

白广成 崔 波

(东北特殊钢集团技术中心北满基地分中心，黑龙江161041)

调质钢是机械制造行业中应用十分广泛的重要材料之一。2008年我公司首次以轧代锻生产供出口的∅254 mm～∅310 mm大规格4140钢热轧调质材。生产中利用罩式退火炉和水槽对钢材进行调质处理，对工艺流程和工艺参数我们也进行了一系列的试验研究。

1 4140钢的技术要求

用户对4140钢的化学成分要求见表1。

成品圆钢表面下25.4 mm处的纵向力学性能及钢材表面硬度要求见表2。

钢材奥氏体晶粒度要求为5～8级。

表1 4140钢要求的化学成分(质量分数，%)

表2 4140钢力学性能要求

2 4140钢调质材生产工艺

4140钢调质材生产工艺流程为：电炉冶炼(EBT)→LF炉精炼→钢锭浇注→热送→均热炉→轧机轧制→缓冷→表面扒皮清理→淬火→回火→钢材矫直→清理→检验、上交。

为保证钢材力学性能要求，精炼时按照化学成分内控标准进行控制，内控成分见表3。

表3 4140钢内控化学成分(质量分数，%)

2.1 4140钢轧制工艺

钢锭在825 mm轧机上轧制成∅180 mm～∅310 mm规格的钢材。因为4140钢含Mn、S，在生产中对热送的5.8 t钢锭采用均热温度1 260℃，均热时间3 h，这保证了钢锭透烧以使轧制变形均匀。轧后钢材入缓冷坑缓冷60 h，出坑后经表面扒皮清理转到冷拔热处理厂进行调质处理。

2.2 4140钢调质工艺

在淬火加热装炉前需要对钢材表面进行台架检查清理，保证表面无裂纹缺陷，以防止在淬火过程中由表面裂纹导致产生淬火裂纹。

钢材淬火加热在罩式炉进行，装炉量控制在20 t左右，匀速升温至(890±10)℃，均温、保温。淬火前水槽注满并保持一定流量，水温为10～40℃。时间控制为从摘罩到入水时间在10 min以内。钢材在水中每间隔2 min吊起后再入水中。淬火总时间30 min，出水时钢材表面温度达到200℃以下。

钢材淬火后，尽快装炉回火。回火温度580℃，均温后保温(6～8)h。出炉后水槽快冷到400℃以下，然后空冷。

3 4140钢调质材质量分析

3.1 力学性能检验

力学性能检验结果见表4。从表4可以看出，设计的工艺路线、化学成分内控标准、各工艺操作规程合理准确，使4140热轧调质材的综合性能均满足技术指标的要求。

表4 4140钢力学性能检验结果

3.2 4140钢的晶粒度检验

采用喂铝线、加钒铁的方法使钒、铝化合物以细小弥散质分布于晶界，阻止了晶粒长大，达到了细化晶粒的目的，使晶粒度级别稳定在7～8级。

3.3 调质材组织情况

沿调质后钢材的半径方向，从表面到心部位置分三段取样做金相组织检验，结果见图1。图1显示，接近表面处完全淬透，调质后得到回火索氏体组织。1/2R处得到大部分索氏体组织，而接近钢材心部为混合组织。

3.4 淬火裂纹的产生原因及控制措施

第一批钢材试制时，在调质后的钢材上发现了31%的淬火纵向裂纹和37%的端头环裂。裂纹的形貌见图2、图3。

结合实际生产情况分析认为产生淬火裂纹的主要原因是：(1)因为是采用水作为淬火介质，其在高温区间冷却速度快而在Ms点以下的低温区间冷却速度较慢。水温升高后在高温区间的冷却能力降低，而在低温区间的冷却能力则几乎没有变化。在冷却到Ms点以下的温度时，钢发生马氏体相变，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观的组织应力和热应力，因而易产生淬火裂纹；(2)在试制中发现多数的纵向裂纹都是在回火之后上台架清理时出现，这说明纵向裂纹是由于回火时冷却过快产生的组织应力造成的。

图1 4140钢淬火、回火金相组织
Figure 1 Metallurgical phase structure of tempering and quenching for 4140 steel

图2 4140钢调质产生的纵向裂纹Figure 2 Longitudinal crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

图3 4140钢调质产生的端部环形裂纹Figure 3 Head circumferential crack of 4140 steel produced by tempering and quenching process

在之后的试生产中我们缩短了淬水时间，将钢材淬火出水温度控制在250℃左右。同时控制回火冷却速度，快速水冷到450℃后空冷到室温，随后装炉进行400℃以下的消除应力回火。这一系列措施避免了淬火纵向裂纹的产生。

钢材端部的环形裂纹则是由于端部倒角不均匀，在淬火时产生应力集中造成的。在以后的生产中严格执行均匀45°倒角，使环形裂纹的发生率降到3%以下。

4 结论

我公司在2008～2009年生产4140钢热轧调质材300多吨，其生产工艺路线合理，技术措施得当，各项检验指标完全满足了用户对力学性能、晶粒度、低倍组织的要求。尤其对控制钢材在调质过程中产生裂纹所采取的措施是非常有效的，使调质材的综合合格率稳定在97%以上。有利于今后积极开发国内外市场，扩大生产规模。

[1] 项程云.合金结构钢.北京：冶金工业出版社.