合金元素及显微组织对42CrMo 合结钢硬度的影响

2022-06-06吴俊雄

中国金属通报 2022年4期

吴俊雄

42CrMo 是工业上常用的合金结构钢，调质后具有较高的疲劳强度和低温冲击韧性，且无明显的回火脆性，被广泛用于制造高强度、较大断面尺寸的重要机械零件，如机车牵引齿轮、增压器齿轮、后轴、连杆等，也可用于大中型塑料模具。湘潭钢铁集团有限公司生产的42CrMo 棒材主要用于制造汽车转向节、转向臂、曲轴、前桥等，用户普遍反映钢材热轧状态下硬度偏高，给剪切下料和后续零件机械加工都带来一定困难。然而，我国汽车行业对材料成分在标准范围内的精确控制、成分均匀性控制、材料淬透性和交货组织状态等均未作具体规定，使汽车用钢的生产和使用受到明显影响。此外，轧制后的冷却条件不稳定，外部环境及工艺条件对热轧钢材的硬度稳定性有较大影响。本文通过对热轧棒材定点取样进行特定元素成份分析与微观组织金相分析，同时与国内其它典型特钢企业同类产品开展类比分析，探讨42CrMo 棒材产品硬度偏高的原因，以期找到改善产品质量的方法和途径。

1 实验材料和方法

本实验采用湘钢生产的42CrMo 棒材，其化学成份（质量分数，%）为0.43C，0.19Si，0.67Mn，1.12Cr，0.19Mo，0.019Ni，0.0032Ti，0.029Cu。

在热轧空冷的42CrMo 棒材上取样，将棒材沿横截面剖开，测量沿横截面直径上各点的硬度值，并使用定点钻样化学成份分析法检测各硬度测试点的合金元素含量；对试样横截面进行加工，经粗磨、抛光处理后，用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀以观察其显微组织。

2 实验结果与讨论

2.1 合金元素含量检测

调质钢中加入的合金元素主要有Mn、Mo、Cr、Ni 等，在细化晶粒的同时提高钢的淬透性。锰固溶于钢中有固溶强化的作用，锰强化奥氏体或铁素体的作用不及C、P、Si，但在提高强度的同时，对延展性无影响；此外，锰能使钢的调质组织均匀、细化，避免了渗碳层中碳化物的聚集成块。铬与铁形成连续固溶体，能与碳形成多种碳化物，小于一定量（6%）的铬既能阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，又提高了马氏体的分解温度，从而有效的提高了钢的回火抗力。钼是高温难熔的金属，在钢中的主要作用是可以细化晶粒，减少钢的过热倾向，提高钢的热强性、回火稳定性、淬透性，防止回火脆性，同时在钢中可以形成多种碳化物（MC、M2C、M6C），产生二次强化。

对湘钢与西宁特钢、石家庄钢铁厂42CrMo 棒材样品进行合金元素含量分析，得到其平均成份，检测结果如表1 所示。

表1 各钢厂试样合金元素成分对比%

所检测的各钢厂试样合金元素含量均在国标规定的范围之内，但由于国内汽车行业并未对这类钢材的化学成分做出具体规定，因此无法比较湘钢与其它两厂的合金元素控制水平的优劣。使用以下碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15。

计算得到各测量点的合金元素碳当量，对比对应测量点的硬度值之后，发现试样的硬度与碳当量具有较明显的线性关系，硬度与碳当量的回归方程如下：HB=-129.6+471.76Ce。

2.2 合金元素分布

在控制轧制中，主要利用的强化手段包括固溶强化、沉淀强化、晶界强化、亚晶强化和位错强化。对于低合金钢而言，可以将固溶强化看作是基体的强化机制，与轧制制度无关。而钢中Mn、Si、Cr、Ni 都能构成置换固溶体，促使屈服强度和抗拉强度呈线性上升，因此钢中合金元素的分布对钢的强度和硬度有很大影响。按图1 所示对各钢厂产品进行硬度分析，获得的硬度检测结果图2 所示。

图1 硬度与成分检测位置

图2 硬度检测结果

在硬度与合金元素含量的检测点中，1 点～4 点处于中心部位，5 点～8 点处于边部，通过硬度测试发现湘钢试样的硬度较高，较其它两厂高出30HBW 以上，硬度最高点达到268HBW。三厂试样的硬度分布范围为石钢样品硬度为200HB ～227HB，湘钢为238HB ～266HB，西宁为184HB ～195HB，可见湘钢试样与石钢硬度范围都较大。GB/T3077-2015 中规定42CrMo 棒材交货状态为热轧，退火后硬度不大于217HBW；而实际生产中，由于合金元素含量、轧制工艺与冷却速度的影响，42CrMo 的热轧后组织中很容易出现贝氏体，从而使硬度与强度提高，很容易超过国标规定的上限值，由于用户使用时不会进行退火处理，所以如果钢材原始强度、硬度过高的话，会给用户下料、加工带来诸如工作效率降低、工具损耗加大等一系列问题；为分析合金元素分布对硬度值的影响，采用定点钻样化学成分分析方法检测了各位置主要合金元素的含量，测量结果如下所示。（图3）。

图3 各厂合金元素分布a）碳分布，b）锰分布，c）铬分布，d）钼分布

从碳元素的分布情况看，湘钢试样碳的分布比其它两厂的试样都更均匀。在中心处的5 ～8 检测点处，碳含量都比边部的更高，西宁钢厂试样的碳分布也存在这一现象，但西宁试样各测试点的硬度差别很小。因此，碳的分布规律并不能很好的解释硬度异常现象。对Mn、Cr、Mo 等元素的发现，湘钢试样中这几种元素的含量都较高，这可能是造成湘钢42CrMo 棒材硬度较高的原因之一。在分布规律上，西宁钢厂试样的合金元素分布很均匀，边部与中心各点的含量基本没有差别。石钢和湘钢试样的合金元素在中心位置的含量比边部低，且湘钢试样的合金元素没有石钢、西宁两厂的均匀。

由上分析可知，三厂试样的合金元素分布与硬度有较好的对应关系。总体来说，湘钢试样合金元素含量普遍较高，且分布较不均匀，造成其硬度较高且硬度值波动较大。因此，为改善湘钢42CrMo 质量，可以适当降低合金元素含量，并改善合金元素的分布情况。

2.3 显微组织观察

合金元素的固溶强化只是钢材的强化手段之一，对于合金钢，珠光体含量及形态对材的力学性能也有很大影响，并且从以上合金元素的分布情况看，其含量的变化是处在0.01%的数量级上，可能并不是造成硬度波动大的唯一原因。因此，为观察各钢厂试样的微观组织状况，在棒材横截面的中心和距棒材表面1/2半径处取样，经粗磨、抛光、腐蚀制得金相试样，观察湘钢试样边部与中心位置的显微组织如下。（图4）。

图4 湘钢42CrMo 钢金相显微组织a）边部位置；b）中心位置

由金相图片可以看出42CrMo 钢显微组织为珠光体和铁素体，其中珠光体占大多数，白色组织为网状铁素体。边部位置的组织与中心位置相比，珠光体晶粒更加细小，珠光体所占面积百分比较大，由此产生的细晶强化作用使42CrMo 棒材边部的硬度较高。珠光体按形貌可分为片状、粒状、针状、类珠光体和相间沉淀等，在A1 稍下的高温区（过冷度较小），奥氏体将分解为片状珠光体，但若是过冷奥氏体中存在剩余碳化物或者成分不均匀时，也可能形成粒状珠光体。当冷却速度稍快时，过冷度增大，则分解成细片状珠光体或点状珠光体。本文使用金相图像分析软件的面积法对各试样的铁素体含量和晶粒度进行检测，图像分析得出湘钢试样边部和中心的晶粒度分别为11 级和9.6 级，铁素体含量分别为9.5%和15%。可见在钢的成分一定时，随着冷却速度的增加，转变温度相应降低，显微组织中先共析铁素体含量逐渐减少，珠光体含量逐渐增多。42CrMo 棒材轧后冷却过程中，棒材靠近表面位置由于直接与冷却介质即空气接触，冷却速度较棒材心部更快，因此而造成棒材边部与中心轧态组织硬度的波动较大，对后续加工造成一定影响。

对比分析西宁特钢与石钢试样金相组织如下。（图5）。

图5 金相组织：a）西宁试样边部；b）西宁试样中心；c）石钢试样边部；d）石钢试样中心

图像分析得出西宁特钢试样边部和中心晶粒度分别为8.6级和7.8 级，铁素体含量分别为14.3%和19.2%。石钢试样边部和中心晶粒度分别为10 级和9.5 级，铁素体含量分别为9.7%和16.9%。可以发现湘钢试样晶粒度更细，铁素体含量也更少并成网状分布。钢材终轧温度过高，出现比较粗大的奥氏体晶粒，而后续采用较快的冷却速度，便会导致先共析铁素体沿奥氏体晶界呈网状析出。一般情况下，网状铁素体的存在会减小晶界的强化作用，使钢材的强度和韧性都降低，但湘钢试样中铁素体含量较少，网状铁素体对钢材硬度的影响较小，湘钢试样的硬度高主要是因为试样晶粒尺寸较小，且珠光体含量较高。西宁特钢试样边部有较粗大的网状铁素体组织，心部铁素体呈现块状，其边部网状铁素体能使钢材的力学性能降低，在一定程度上减小边部硬度，使棒材横截面上硬度的波动减小，硬度分布均匀。因此，按照42CrMo 钢的CCT 曲线，轧后冷却速度应小于0.8℃/s。为减小湘钢试样的硬度波动，应采用较低的冷却速度，并在冷床上增加保温罩，使棒材横截面硬度有效降低且均匀。