热处理工艺对ZG40CrNi2Mo力学性能的影响

戴超人

(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)

40CrNi2Mo是一种具有较高强度及韧性的中碳低合金材料，合金元素含量较高，淬透性好[1]。目前，对40CrNi2Mo材质的铸钢研究较少，对同材质锻钢研究较多，40CrNi2Mo锻钢应用于受冲击循环载荷的泵轴、压气机轴、曲轴、连杆、飞机起落架等大型重要零件[2-3]。对同材质锻钢的研究中，主要解决在热处理过程中淬硬倾向大及低温冲击韧性低的问题。张世英等研究40CrNi2Mo钢的低温力学性能，发现其脆性转变温度为-125 ℃[4]，曹国珍等研究热处理工艺对40CrNi2Mo钢性能影响，发现一种热处理工艺，处理后材料屈服强度大于1 100 MPa，常温冲击功大于60 J，达到良好的强韧性配合[5]。

当工件结构外形复杂时，使用40CrNi2Mo锻钢毛坯加工零件，机械加工量大，且40CrNi2Mo锻钢经过调质处理后硬度高机械加工效率低且成本高。40CrNi2Mo材质铸钢以铸造形状的多样性及后续零件成型过程中加工量小的优势，越来越多地应用于机械中重要且外形复杂的零件。铸钢组织及成分均匀性相对较差，在性能上与锻造钢存在一定差距，热处理工艺针对铸件进行研究，目的是找到ZG40CrNi2Mo的稳定热处理工艺，使其拥有良好的强韧型配合，获得较高的综合力学性能。

1 试验材料及试验设备

1.1 试验材料

试验材料为ZG40CrNi2Mo，炼钢采用电弧炉氧化法冶炼工艺，浇筑采取明冷铁激冷和冒口补缩联合使用的铸造工艺手段，消除或减少了钢水在凝固时产生的内部缺陷，提高了铸件整体质量。材料主要化学成分见表1。

表1 ZG40CrNi2Mo化学成分(质量分数) (%)

1.2 试验设备

试验设备使用WAW-1000微机控制电液私服万能试验机、ZBC2452型微机式金属摆锤冲击试验机、ZYS1601-A冲击试验低温仪、HB-3000C型电子布氏硬度计、Gx71倒置式系统金相显微镜、PDA-7000岛津发射光谱仪。

2 试验方案

使用2种典型热处理工艺正火+回火工艺及调质工艺处理试样，并测试性能。试验浇筑外轮廓1 m×1 m×0.3 m的毛坯，使用机床冷加工在毛坯上取尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的试样，每组试验在毛坯厚度方向从外至内取3个试样，试验结果选取平均值进行分析。试样检测性能包括硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率，常温冲击功及-40 ℃冲击功，根据试验情况选取部分试样进行金相分析。

由于ZG40CrNi2Mo参考资料较少，且不同铸造工艺会影响毛坯性能。因此先分析未热处理的铸造毛坯(后文称为铸态)性能及组织，确定稳定的铸造工艺.

正火+回火热处理工艺，正火处理目的是细化铸态组织，消除带状缺陷，回火降低组织内应力，提高塑形和韧性，稳定组织保证工件尺寸及形状稳定。正火保温温度选择850和890 ℃进行对比，保温2 h，回火温度选择450、500、550和600 ℃进行对比，保温4 h。

调质工艺处理后工件一般能获得非常好的综合性能。调质工艺研究冷却介质和回火温度2个参数对力学性能影响。淬火加热至890 ℃保温2 h，淬火冷却介质分别使用水、水基淬火液、快速淬火油，回火温度选择500、550和600 ℃进行对比，保温时间4 h。

3 试验结果分析

3.1 铸件毛坯性能

从铸造毛坯上取样进行性能检测，分析热处理铸造毛坯性能及组织。铸态毛坯力学性能见表2，该材料铸态各项性能相对较低。

表2 铸态性能参数

铸态金相组织为片状珠光体及铁素体，金相组织如图1所示，组织分布不均匀，存在明显带状缺陷。同时发现材料中存在少量非金属夹杂物。改进铸造工艺及参数发现无法完全消除带状缺陷及非金属夹杂物。该材料的锻件相关研究中也有相似发现，材料内部存在细小夹杂物，夹杂物尺寸一般为10～50 μm。

a) 500倍金相组织

b) 100倍金相组织

3.2 正火+回火工艺

铸态毛坯冷却至室温后，在毛坯上冷加工取试样，试样进行正火+回火处理。正火热处理温度选取850 ℃和890 ℃进行对比，保温2 h，出炉在空气中自然冷却，随后回火处理，回火热处理温度选取4个温度进行对比，分别为450、500、550和600 ℃，保温4 h，出炉在空气中自然冷却。冷却至室温后加工成标准试样进行性能检测。

对试样进行性能及金相组织检测，力学性能见表3，可以看出正火温度对性能影响不大，随着回火温度增加，屈服强度、抗拉强度减小，延伸率增加，冲击功增加(见图2)。正火温度890 ℃+回火温度550 ℃处理后材料综合力学性能最好。

图2 回火温度对正火+回火处理试样性能影响

正火+回火处理后的试样组织为回火索氏体+铁素体(见图3)，具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度。回火索氏体一般是马氏体在高温回火后产生的组织，试样回火前组织形态应该包含马氏体，而按照一般经验，40CrNi2Mo材质属于亚共析钢，正火后组织以铁素体+珠光体为主。重新选取正火处理后(回火处理前)试样进行金相组织分析。金相组织如图4所示，组织为马氏体+贝氏体。该种钢合金元素含量较高，临界冷却速度较低，且试样体积小，在空气中冷却速度快，在空气中冷却速度大于该种钢临界冷却速度，得到马氏体+贝氏体组织。

表3 正火+回火处理试样性能

图3 回火后试样金相组织(回火索氏体+铁素体)

图4 正火后试样金相组织(马氏体+贝氏体)

3.3 调质工艺

淬火加热至890 ℃，保温2 h，在不同冷却介质中冷却，回火温度选择500、550和600 ℃进行对比，保温时间4 h。冷却介质使用水、水基淬火液、快速淬火油进行对比。

试验过程中发现，介质使用水进行冷却的试样，全部开裂。水作为冷却介质，工件冷却速度极快，工件内外温差相差很大，产生的膨胀也不尽相同以及在组织转变过程中产生膨胀和收缩，在工件内产生很大的内应力，导致试样开裂。说明此种材料淬裂倾向很大。使用水基淬火液有少数试样开裂，通过调整控制水基淬火液成分及浓度，能很大程度减小试样开裂比例。使用快速淬火油冷却的试样无开裂情况。调质处理后试样性能见表4。从表中可以看出使用水基淬火液和快速淬火油冷却效果基本相同。

随着回火温度增加，屈服强度、抗拉强度减小，塑性增加，冲击功增加。回火温度550 ℃处理后材料综合性能最好(见图5和图6)。考虑到水基淬火液有试样开裂情况，从工艺稳定性考虑，快速淬火油是更好的选择。

表4 调质处理试样性能

图5 回火温度对处理试样性能影响(使用水基淬火液调质)

图6 回火温度对处理试样性能影响(使用快速淬火油调质)

使用水基淬火液冷却的试样，金相组织为回火索氏体(见图7)。使用快速淬火油冷却的试样，金相组织为回火索氏体+铁素体(见图8)。相比正火+回火工艺，调质工艺处理试样抗拉强度和屈服强度明显增加。

图7 水基淬火液调质试样的金相组织(回火索氏体)

图8 快速淬火油调质试样的金相组织(回火索氏体+铁素体)

从生产角度考虑2种冷却介质均存在一定局限。使用水基淬火液冷却，试验中发现，由于该材料淬裂倾向大，对淬火液成分及浓度非常敏感，生产过程中，淬火液存在老化及污染等问题[6-7]，应随时检测淬火液成分并进行改良调整，否则工件易淬裂，不利于连续生产。而使用快速淬火油会产生空气污染，根据相关政策，油淬生产正在逐步限制和取消，尤其是较大工件需使用的大型油池资源极少。

4 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)ZG40CrNi2Mo使用正火+回火工艺热处理，正火温度对材料性能影响不大，回火温度增加，强度下降，塑性增加，当正火温度为890 ℃+回火温度550 ℃时，材料综合性能最好，抗拉强度达到1 025 MPa，屈服强度达到860 MPa，延伸率达到17.8%，常温冲击功KU2达到53.6 J，-40 ℃冲击功KU2达到30.4 J。

2)ZG40CrNi2Mo使用淬火工艺热处理时，发现该材料淬裂敏感性高，使用水作为冷却介质，试样全部开裂。水基淬火液和快速淬火油作为冷却介质材料性能基本一致。

3)ZG40CrNi2Mo使用淬火工艺热处理，回火温度550 ℃时，材料综合性能最好，抗拉强度达到1 156 MPa，屈服强度达到1 034 MPa，延伸率达到12.5%，常温冲击功KU2达到53 J，-40 ℃冲击功KU2达到22.5 J。