化学成分对中碳合金钢力学性能的影响

2022-06-27韩柏林

热处理技术与装备 2022年3期

韩柏林，邹鹏，何兴

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869)

中碳合金钢广泛应用于大型机械的零部件及结构件，如泵轴、压气机轴、曲轴、连杆等。因中碳合金钢中含有Cr、Mo、Ni等元素，其淬透性较好，加工时一般需进行退火以降低硬度，常规热处理主要为调质处理，使材料获得一定的综合力学性能，尤其是高强度[1]。但随着零件尺寸的增大，调质后强度会大幅度的下降。本文通过测试42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo钢调质处理后的力学性能，并用合金钢淬透性系数表来计算材料的理想临界直径，对未来机组不同尺寸零件的选择，尤其是力学性能的要求，起到了一定的技术支持。

1 试验材料及方法

中碳合金钢的热处理一般采用正火+调质处理，即正火、淬火、高温回火。该类钢通过淬火获得马氏体组织，随后通过高温回火得到回火索氏体组织，进而获得良好的强韧性。本文选用三种不同化学成分的试验锻件，分别为42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo钢，均为电炉冶炼和电渣重熔后锻造而成，锻造比为4.5，始锻温度为1150～1180 ℃，终锻温度为850～900 ℃。42CrMo锻件分别加工成规格为φ80 mm×160 mm、φ150 mm×300 mm和φ300 mm×600 mm的试样各1件，40CrNi2Mo锻件分别加工成规格为φ150 mm×300 mm、φ250 mm×500 mm和φ600 mm×1000 mm的试样各1件，30Cr2Ni2Mo锻件分别加工成规格为φ200 mm×400 mm、φ400 mm×800 mm和φ700 mm×1400 mm的试样各1件。三种合金钢的化学成分如表1所示，根据试验材料的化学成分，采用热膨胀法测量得到三种材料的临界温度，其中42CrMo钢的Ac1约710 ℃，Ac3约780 ℃；40CrNi2Mo钢的Ac1约720 ℃，Ac3约780 ℃；30Cr2Ni2Mo钢的Ac1约730 ℃，Ac3约790 ℃[2]。

三种合金钢常用热处理工艺见图1。正火和淬火按每40 mm有效厚度保温1 h，回火按每25 mm有效厚度保温1 h。

表1 试样的实测化学成分Table 1 Measured chemical compositions of samples

热处理后用线切割机切取纵向力学性能试样，在锻件表面截取拉伸试样、冲击试样和硬度试样。拉伸试样为5倍标距，加工成标距为30 mm，平行部分直径为6 mm的圆棒状拉伸试样，采用RAS250万能试验机上按标准GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》要求进行拉伸试验；按标准GB/T 231《金属布氏硬度试验方法》要求进行布氏硬度检验；按标准GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》要求进行冲击试验，试样为夏比U型缺口，缺口深度为2 mm，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，每组冲击试验为2件试样，试验温度为常温。

(a)42CrMo钢；(b)40CrNi2Mo钢；(c)30Cr2Ni2Mo钢图1 试验材料的常用热处理工艺(a)42CrMo steel；(b)40CrNi2Mo steel；(c)30Cr2Ni2Mo steelFig.1 Common heat treatment process of test materials

试样力学性能数据如表2所示。从表2中可以看出，随着试样直径的增大，材料强度明显下降[3]，但塑性和韧性有一定的提高。