大型42CrM oS4圆钢锻材的淬火工艺优化

2014-04-26杨新武

武汉轻工大学学报 2014年2期

罗明，宛农，杨新武

(武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉430023)

42CrMoS4钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗冲击能力，低温冲击韧性良好。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。如果热处理工艺不当，会使锻材屈服强度和冲击韧性指标得不到充分的发挥，不能满足技术指标。对于这种常见的圆钢锻材有必要探索其出现问题的原因，优化其工艺参数。

1 主要生产技术要求及制造过程

42CrMoS4钢的生产技术要求按EN10083－1标准中规定选取。其化学成分(质量百分数)要求如表1所示，调制后的力学性能要求如表2所示，晶粒度根据ASTM检测标准要求≥5级。42CrMoS4圆钢锻材的主要工艺流程为:45tEBT—50tLF—50tVD—模铸—钢锭红送加热—锻造—锻后快冷+退火—调质+校直—取样探伤—检测硬度+力学性能—入库。

表1 42CrM oS4钢的化学成分要求 /%

表2 42CrM oS4钢的力学性能要求

2 常规热处理工艺分析

虽然42CrMoS4钢淬透性较好，但对大型圆钢锻材进行常规热处理时，往往由于局部成分偏析产生组织遗传，心部未淬透而导致力学性能不佳，尤其对截面尺寸大于φ360 mm的圆钢锻材更为明显。对于42CrMoS4钢锻造而成的大型圆钢锻材，奥氏体化后通常采用油冷的方式，按照常规热处理工艺(如图1所示)，处理后有时晶粒较粗大，同时伴有魏氏组织等组织缺陷，如图2所示;力学性能也不满足要求，多次热处理也难以消除，如图3所示。

图1 常规热处理工艺曲线

图2 常见的组织缺陷

图3 二次调质的金相组织(×500)

42CrMoS4属于进口钢，类似于国内GB/T3077里的42CrMo(德标42CrMo4)钢，但是增加了硫的要求。42CrMo钢化学成分与42CrMoS4钢大致相同，对大型42CrMo钢的研究有助于了解、分析以及改善42CrMoS4钢热处理工艺。淬火温度以及冷却方式对42CrMo钢性能有很大的影响，淬火温度直接影响到奥氏体化晶粒的大小，合金元素的溶解度，对组织的均匀性起作用。不同的冷却条件下，得到的组织也有明显区别，随着冷却速度的增加，会依次出现多边形铁素体、针状铁素体、上贝氏体及板条马氏体的混合组织。温度过高，冷却速度快就会形成网状铁素体，在高温区冷却速度慢会形成块状铁素体，影响钢的力学性能［1］。大型42CrMo钢一般采用水冷+油淬的冷却方式，利用水冷在高温区的强冷却能力和油在低温区的较缓慢冷却速度，以达到理想的冷却特征。王明礼等［2］对42CrMo钢进行了工艺参数的优化，研究了淬、回火温度对常规力学性能及冲击功的影响，其研究结果表明，淬火温度不宜超过840℃，在840±10℃淬火，在630±10℃回火处理时，可以提高低温冲击功和常温力学性能，其中淬火介质为2%—5%的高分子水剂。刘国平等［3］对42CrMo4钢的淬火研究发现，将淬火温度从860℃降低到810℃，同时采用水淬油冷的方式可以提高其低温冲击性能。阮大鹏等［4］对大型的42CrMo钢采用840—860℃的淬火温度，并采用水冷+空冷+水冷+油冷的复合冷却方式，提高了芯轴的综合力学性能。

对42CrMoS4大型圆钢锻材常规热处理工艺采用的淬火温度与上述文献中对42CrMo钢淬火温度相近，但是其调质组织不好，力学性能不满足要求。这主要与冷却方式及淬火介质有关，根据文献［5］对42CrMoS4大型圆钢锻材采用预冷，水—空气双介质循环控时淬火冷却技术的调质工艺，不仅可以省去油冷，还可以提高力学性能。

3 工艺参数优化

根据42CrMoS4钢化学成分，由 Thermo－calc热力学软件计算出相的质量分数与温度的关系，如图4所示。由于一般大型42CrMoS4圆钢锻材力学性能要求不是很高，没有必要进行奥氏体再结晶，可以直接进行亚温淬火。亚温淬火时加热温度低，存在一部分未溶铁素体，可以阻止奥氏体晶粒长大，对细化晶粒有利，并且晶粒细化所提高的强度部分弥补了因为保留少量铁素体而引起的强度下降。同时采用亚温淬火比常规淬火温度低，可以降低能耗，节约生产成本。

在亚温淬火前，需要完全奥氏体化使成分均匀，为亚温淬火做准备。但是加热温度不宜过高，避免晶粒长大造成亚温淬火组织不佳。

图4 42CrMoS4钢相的质量分数与温度的关系

从图4中可以看出，Ac3点的温度在780℃左右，首先将其加热到840℃完全奥氏体化，然后空冷到780℃左右，再升温到810℃亚温淬火，其热处理工艺如图5所示。

图5 优化后的淬火工艺

在加热到840℃奥氏体化后，降低到两相区等温一段时间。在临界区高温侧等温有利于形成球状奥氏体，对消除组织遗传有效，避免魏氏组织，然后在810℃亚温淬火，在细化组织晶粒同时获得良好的力学性能。降低温度至双相区后升温到亚温处淬火，这样可以避免从上进入临界区的方式，改变未溶铁素体的形态。中原特钢采用上述优化工艺，实际处理截面尺寸为φ360 mm和φ420 mm的圆钢锻材的金相组织如图6所示。