回火工艺对42CrMo4合金钢组织和性能的影响

张修铭,江 涌,刘晨虹,王子谦

(1.浙江省产品质量安全科学研究院,浙江 杭州 310000;2.浙江省方圆检测集团股份有限公司,浙江 杭州 310000)

随着我国在汽车、船舶和农业机械等领域的快速发展,高性能钢铁材料的需求日益增加。相较于普通碳素结构钢,合金钢具有更高的强度和韧性[1-4]。42CrMo4钢因其具有较高的屈强比、淬透性和低温冲击韧性等,被广泛用于生产传动齿轮、高负荷轴和连杆等服役环境苛刻的零部件[5-9]。

目前国内外学者已经对42CrMo系列合金钢开展了大量研究。陈俊丹等[10]研究了回火温度对42CrMo合金钢微观组织和冲击韧性的影响,结果表明:淬火42CrMo合金钢在500～650 ℃回火后,微观组织为回火索氏体,冲击韧性先增大后减小;经600 ℃回火后,冲击韧性达到峰值104 J;同时发现碳化物粗化会导致42CrMo合金钢的冲击韧性降低。郑馨秋等[11]对42CrMo4合金钢调质后进行亚温淬火热处理,发现42CrMo4合金钢的强度、断面收缩率和伸长率基本保持不变的同时冲击韧性明显提高。张维等[12]等研究了超声波淬火对42CrMo4合金钢微观组织和力学性能的影响,发现超声波淬火能有效提高常规油淬和水淬的效果,随着超声波功率的增大,组织中的粒状贝氏体和铁素体含量降低,屈服强度和抗拉强度提高,而伸长率和冲击韧性有所降低。高红梅等[13]对含有回火贝氏体的42CrMo4合金钢进行了低温和室温拉伸试验,发现42CrMo4合金钢的强度随试验温度的降低而提高,但伸长率和断面收缩率没有明显变化;随着回火索氏体含量的减少、回火贝氏体含量的增加,42CrMo4合金钢的硬度和强度大幅下降。

前期研究结果表明,热处理工艺对42CrMo4合金钢的综合性能有很大的影响。本文通过对42CrMo4合金钢进行淬火和回火热处理,研究了回火温度对42CrMo4合金钢微观组织和力学性能的影响,对42CrMo4合金钢的热处理工艺制定和强韧化具有指导意义。

1 实验材料与方法

采用中频感应炉熔炼42CrMo4合金钢,熔炼温度为1680 ℃,时间为3 h。采用砂型铸造方式得到20 kg铸锭,浇注温度为1540 ℃,其化学成分见表1。铸锭经高温均匀化处理后,锻造成截面为30 mm×30 mm的棒材,然后在1000 ℃保温3 h,其原始组织为珠光体,如图1所示。使用马弗炉进行淬火和回火热处理,热处理工艺如图2所示。对合金钢试样进行奥氏体化处理,奥氏体化温度为927 ℃,保温时间为60 min,油冷至室温;再分别在204、316、371、427和482 ℃温度下回火保温60 min,空冷至室温。

表1 42CrMo4合金钢化学成分 (质量分数,%)

图1 42CrMo4合金钢原始组织

图2 42CrMo4合金钢热处理工艺

利用线切割机切取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样,经200～2000目砂纸打磨、金刚石抛光膏抛光后,使用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀,采用SG-13XD倒置金相显微镜观察微观组织。参照标准GB/T 230.1—2018,采用HRS-150M硬度计测量试样的洛氏硬度,每个试样测量三次,取平均值。参照标准GB/T 228.1—2010,采用WDW-HGD万能材料试验机进行拉伸试验,每组试验测试三次取平均值。

2 实验结果及讨论

2.1 微观组织

图3为42CrMo4合金钢热处理后的微观组织。淬火后试样的组织主要为板条状马氏体、少量针叶状马氏体和残余奥氏体,见图3(a)。204 ℃低温回火后,试样内部原子的活动能力有所增加,但马氏体仍保持原始形态,微观组织没有明显变化,见图3(b)。316 ℃回火后,马氏体和残余奥氏体减少,回火马氏体增多,并析出少量渗碳体和粒状合金碳化物,见图3(c)。当回火温度升高到371～482 ℃时,马氏体和残余奥氏体继续分解,渗碳体和粒状合金碳化物数量增加、尺寸增大,马氏体的原始形态已经基本消失,见图3(d)、3(e)和3(f)。

(a)淬火;(b) 204 ℃回火;(c) 316 ℃回火;(d) 371 ℃回火;(e) 427 ℃回火;(f) 482 ℃回火

2.2 力学性能

图4为42CrMo4合金钢的力学性能。热处理前试样的硬度为25.2 HRC,屈服强度为683 MPa,抗拉强度为894 MPa,伸长率为9.6%。淬火后试样的硬度为59.7 HRC,屈服强度为1808 MPa,抗拉强度为2213 MPa,伸长率为8.5%。随着回火温度的升高,试样的硬度、屈服强度和抗拉强度逐渐减少,而伸长率则逐渐增大。

(a)洛氏硬度;(b)屈服强度;(c)抗拉强度;(d)伸长率

3 结论

1)淬火后42CrMo4合金钢的组织主要为板条状马氏体、少量的针叶状马氏体和残余奥氏体,硬度由25.2 HRC提高至59.7 HRC,屈服强度由683 MPa提高至1808 MPa,抗拉强度由894 MPa提高至2213 MPa,伸长率从9.6%降低至8.5%;

2)随着回火温度的升高,组织中的原始马氏体组织逐渐消失,残余奥氏体含量减少,同时析出渗碳体和粒状合金碳化物;硬度、屈服强度和抗拉强度逐渐减少,而伸长率则逐渐增大。