热处理工艺对34CrNiMo6钢性能的影响研究

侯政良，王柱飞，张雪冬，郭巨寿，康凤

（1.北方通用动力集团有限公司，山西 大同 037036；2.西南技术工程研究所，重庆 400039）

34CrNiMo6钢是德国标准牌号中的一种高强结构钢，经过调质处理能够得到良好的综合力学性能[1]，目前广泛用于制造截面较大、形状复杂的主承力构件，如发动机曲轴、连杆、凸轮以及风机主轴等[2—3]。这些构件往往工况复杂、工作负荷大，因此对整体的性能要求很高[4]，不仅要求抗拉强度、屈服强度以及伸长率匹配合理，还要求材料的冲击韧性和疲劳性能尽可能高，故合理的热处理工艺非常重要[5—6]。文中通过热处理工艺试验，研究不同工艺对34CrNiMo6钢组织和性能的影响规律，以获得材料适用的热处理工艺。

1 试验

34CrNiMo6钢化学成分见表1，经电渣重熔后锻打制备成Φ170 mm的棒材。退火后的原始组织见图1。可知基体为珠光体和晶粒细小的铁素体，呈均匀分布状态，此外带状组织得到了完全的消除[7—8]。

由于使用该材料的产品多为大尺寸复杂结构件，若直接进行调质处理，不仅会造成性能不均匀，对后续的加工也会造成不良影响[9]，因此，热处理工艺采用预先热处理（正火+高温回火）→调质热处理（淬火+回火）的工艺。在预先热处理中，正火的目的是细化晶粒，使曲轴整体组织均匀，消除碳化物颗粒[10]；而高温回火的目的是消除正火冷却时产生的内应力。随后，升温过程中，在550 ℃时保温3 h，以避免温度不均匀，预先热处理工艺见图2。

表1 34CrNiMo6钢化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of steel 34CrNiMo6 (mass fraction) %

图1 材料原始组织（500×）Fig.1 Original microstructure of materials (500×)

图2 预先热处理工艺Fig.2 Preheat treatment process

试样经 880 ℃正火+680 ℃高温回火预先热处理的微观组织见图3。在经过正火和高温回火后，试样基体组织为细小均匀的铁素体和珠光体，回火后的组织与正火组织相差不大。预处理工艺中，正火充分改善了锻造的组织，使其细化与均匀化，从而减少了后续淬火时构件的变形开裂倾向；回火降低了硬度，消除了正火产生的内应力，减少了最终热处理后的变形程度。

预先热处理后开展调质工艺试验。试样在400 ℃炉膛均温后入炉，并加热至淬火温度，分别为800,850,900 ℃，并保温 1 h，油淬。回火工艺也采用均温控制方法，试样在炉膛250 ℃均温后入炉，并分别升温至560,580,600 ℃，保温2 h后，出炉空冷。

图3 预先热处理试样组织（500×）Fig.3 Microstructure of sample after preheat treatment (500×)

2 结果分析

试样经过调质处理后的微观组织见图4。可以看出，不同工艺的试样组织差别不大，组织以回火索氏体为主，并分布有细小的碳化物颗粒，其中镍铬元素配合使用，显著提高了钢的淬透性。镍对铁素体具有良好的强化作用，使钢在具有较高强度的同时，还能得到较高的冲击韧度[11]。钼元素除能细化晶粒，促使截面较大的锻件性能均匀外，还可克服回火脆性[12]。

不同淬火温度下试样的力学性能见表2，不同回火温度下试样的力学性能见表3。可以看出，随着淬火温度升高，试样的强度有所增加，伸长率差别不大，在900 ℃时冲击韧性有所下降。这是因为随着温度上升，合金中的碳化物溶解更加充分，经淬火后马氏体回火析出的碳化物含量也较多，因此强度增加；另一方面，温度升高使得Cr,Ni元素的溶解更加充分，从而使韧性增加，但奥氏体也随之长大，会降低韧性，因而冲击功有所下降，但在两种作用下并不明显[13—14]。随着回火温度的升高，强度明显降低，但伸长率逐渐升高，冲击韧性也稍有提升。经调质后的试样组织主要由索氏体、碳化物颗粒和少量的回火马氏体组成，粒状的碳化物颗粒沿着索氏体边界析出。随着回火温度的升高，组织中回火索氏体含量增加，析出的碳化物数量也增多，碳化物在 600 ℃后迅速聚集并发生粗化，因此导致强度的降低，塑性和韧性的升高[15—16]。综上，34CrNiMo6钢经过预先热处理后，再经850 ℃淬火、580 ℃回火调质，强度和塑性能够得到合理的匹配。

图4 试样经调质后的微观组织（500×）Fig.4 Microstructure of samples after quenching and tempering (500×)

表2 （800～900 ℃）淬火，580 ℃回火温度下的试样力学性能Tab.2 Mechanical properties of samples after quenching(800～900 ℃ ) and tempering (580 ℃)

表3 850 ℃淬火，（560～600 ℃）回火温度下的试样力学性能Tab.3 Mechanical properties of samples after quenching (850 ℃ ) and tempering (560～600 ℃)

冲击试样和拉伸试样在850 ℃淬火、580 ℃回火后的断口扫描分别见图5和图6。可以看出，在拉伸断面和冲击断面上都分布着大大小小、数量较多的韧窝，是明显的韧性断裂。冲击试样由于受到冲击载荷的作用，韧窝沿着撕裂方向被拉长，呈现抛物线形状。

图5 冲击试样经850 ℃淬火、580 ℃回火后的断口SEMFig.5 Fracture SEM of impact sample after being quenched at 850 ℃ and tempered at 580℃

图6 拉伸试样经850 ℃淬火、580 ℃回火后的断口SEMFig.6 Tensile SEM of impact sample after being quenched at 850 ℃ and tempered at 580℃

3 结论

1）正火+高温回火预先热处理中的正火使组织得到了充分的细化与均匀化，从而减少了后续淬火时构件的变形开裂倾向；回火减小了硬度，消除了正火产生的内应力，减少了最终热处理后的变形程度。

2）34CrNiMo6钢经调质后，组织主要由回火索氏体、碳化物颗粒和少量的回火马氏体组成，粒状的碳化物颗粒沿着索氏体边界析出。

3）随着淬火温度升高，试样的强度有所增加，伸长率差别不大，在900 ℃时冲击韧性有所下降。随着回火温度升高，强度明显降低，但伸长率逐渐升高，冲击韧性也稍有提升。