微合金化元素对42CrMo钢组织与性能的影响

马东良　刘佳佳　马东辉

(1.中建安装工程有限公司一公司，山东250014；2. 山东建泽混凝土有限公司，山东250101；3. 中国建筑五局山东公司，山东250000)

工艺

微合金化元素对42CrMo钢组织与性能的影响

马东良1刘佳佳2马东辉3

(1.中建安装工程有限公司一公司，山东250014；2. 山东建泽混凝土有限公司，山东250101；3. 中国建筑五局山东公司，山东250000)

摘要：在42CrMo钢中添加少量的微合金元素Ti和B后，对试样的组织和性能进行检测。结果表明，加入的Ti起到了细晶强化和沉淀强化的作用，力学性能随着Ti含量的增加而逐渐提高。

关键词：42CrMo钢；微合金化；细晶强化；沉淀强化

微合金钢是添加了微量合金元素从而使钢的一种或多种性能发生明显有利变化的合金钢[1]。随着技术的进步，绝大多数钢都有微合金化的趋势，微合金钢的生产和应用领域不断扩大。

42CrMo钢具有强度高，淬透性好，韧性好，热变形小，低温冲击韧性好，蠕变强度和持久强度高等优点，调质处理后有较高的疲劳极限和抗冲击性能，已广泛应用于齿轮、轴承、钻头、模具等行业。用微合金化技术提高性能与适用性，是42CrMo钢的发展方向之一。

1试验材料与方法

试验采用某钢厂生产的42CrMo钢坯，切取四组试块进行重新熔炼，熔炼过程中加入微量B和不同含量的Ti，热处理采用相同的工艺，见图1、图2。分别制取试样，使用光谱仪检测化学成分，使用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，使用光学显微镜观察显微组织，使用万能试验机测试力学性能，使用洛氏硬度计测量硬度，使用扫描电镜进行断口分析。

图1　42CrMo钢淬火工艺曲线

图2　42CrMo钢回火工艺曲线

2试验结果与分析

2.1化学成分

分别检测试样的化学成分，结果见表1。可以看出，试样的C、Si、Mn、Cr、Mo、B等元素含量基本一致，Ti含量根据设计含量而不同。

表1　试样化学成分(质量分数，%)

2.2显微组织

经过检测，试样经热处理后组织均为回火马氏体，如图3所示。但随着Ti含量的增加，组织逐渐细化。

2.3力学性能

在室温下分别测定试样的力学性能，结果见表2。可以看出，随着Ti含量的增加，除硬度外各项性能均有明显提高。加入Ti后，试样硬度有所增加，但并未随着含Ti量增加而明显提高，这是因为加入Ti后，试样晶粒细化、硬度略有增加，但是硬度主要和C含量有关，故其硬度并未随着Ti含量增加而明显变大。

表2　试样力学性能

2.4断口分析

用扫描电镜观察试样的断口形貌，结果见图4。可以看出，断口上有弯曲而短的河流花样，周围有撕裂棱，该断裂方式介于解理断裂和韧性断裂之间。从图中还可以看出，晶粒呈逐渐变小趋势，可知其力学性能得到改善，这与显微组织和力学性能检测结果一致。

3钛的微合金化机制

42CrMo钢中加入Ti有两个作用：细晶强化和沉淀强化。两种作用都是由Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物的析出引起的。

图3　试样热处理后的显微组织

图4　42CrMo钢断口形貌

根据钢中Ti的化合物生成的自由能和固溶度不同，析出的先后顺序依次为TiN→Ti4C2S2→TiC[2]。钢中Ti含量较低时，几乎全部形成TiN粒子。TiN具有很好的高温稳定性，在合金凝固前就已经形成，能够有效阻止奥氏体晶粒粗化，起到细晶强化的作用。若Ti/N配比超出理想化学配比3.4时，则形成Ti4C2S2。Ti4C2S2能够夺取FeS、MnS中的硫，这样钢中的长条状硫化夹杂物因Ti4C2S2的形成而逐渐被消除，变成了可改善材料韧性和成形性的球状夹杂物，减少钢的热脆性。当Ti量超过(3.4%N+3%S)时，Ti析出细小的Ti(C,N)[3]和TiC质点，起到沉淀强化作用。钢中有效Ti含量取决于S、N的含量，S、N含量越低，有效Ti的含量越高。

当钢中Ti≥(3.4%N+3%S)时，TiC粒子的析出强化作用才体现出来。钢液凝固过程中，部分TiC从高温奥氏体中析出，其尺寸约为10 nm～30 nm，具有很高的稳定性，能够作为质点钉扎在晶界处，阻止奥氏体晶粒的长大[4]，并在奥氏体转变时成为有效晶核，能够细化钢的晶粒，减少粗大柱状晶和枝状晶的形成，可减少偏析，降低带状组织级别。回火过程中析出的TiC尺寸只有几纳米，有强烈的弥散强化[3]和沉淀强化[5]作用，能显著提高钢的强度。

由于Ti的性质活泼，易与钢中的O、S等杂质元素结合形成较大的化合物，会导致钢材性能产生波动。TiC的析出对温度和冷速较为敏感，容易造成不同批次钢材或同一批次钢材不同部位力学性能的波动。故Ti一般和其它微合金元素复合应用。本试验用42CrMo钢中含有微量B，能够提高钢的淬透性，同时能够起到固溶强化作用，与Ti共同作用可以大大提高钢材的综合性能。

4结论

(1)42CrMo钢中加入微量微合金化元素Ti

和B，经淬火和低温回火后，组织更细小，力学性能有显著提高；

(2)42CrMo钢中，力学性能随着含Ti量的增加而逐渐提高；

(3)42CrMo钢中的Ti起到了细晶强化和沉淀强化的作用，使得试样的塑韧性得到了提高，综合性能得到了改善。

参考文献

[1]齐俊杰，黄运华，张跃. 微合金化钢[M]. 北京：冶金工业出版社，2006.

[2]李轲新，余琨. 薄板坯连铸连轧流程Ti微合金钢含Ti析出物的研究[J]. 冶金丛刊，2009，182(4)：8-10.

[3]许峰云，白秉哲，方鸿生. 低合金高强度钢钛微合金化进展[J]. 金属热处理，2007，32(12)：29-34.

[4]S. C. Wang. The effect of titanium and reheating temperature on the microstructure and strength of plain-carbon, vanadium-and niobium-micro-alloyed steels[J]. Journal of Materials Science,1990, 25:187-193.

[5]韩孝永. 铌、钒、钛在微合金钢中的作用[J]. 宽厚板，2006，12(1)：40.

编辑李韦萤

Influence of Microalloying Elements on Microstructure and Mechanical Properties of 42CrMo Steel

Ma Dongliang, Liu Jiajia, Ma Donghui

Abstract：A small amount of microalloy elements Ti and B have been added in 42CrMo steel and then the tests have been performed for the structure and properties of specimens. The result shows that the added Ti has played the role of fine grain strengthening and precipitation strengthening, and the mechanical properties have increased with the increasing of Ti content.

Key words：42CrMo steel; microalloying; fine grain strengthening; precipitation strengthening

收稿日期：2016—02—26

作者简介：马东良(1984—)，男，汉族，山东省济南市人，硕士学历，工程师，现从事现场技术与管理工作。电话：18668990051，E-mail：mdl19841984@163.com

中图分类号：TF125.1+2

文献标志码：B