亚温淬火工艺对42CrMo4钢冲击韧度的影响

郑馨秋，姚建柱

42CrMo4为中碳低合金钢，其具有较低的制造成本和较高的力学性能，因此在工业制造领域被广泛使用。该钢种属高强度钢，强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧度良好，适宜制造要求一定强度和韧性的大中型塑料模具，及用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具。

我公司生产的某大型设备卷筒轴（见图1）采用德国42CrMo4钢制造，因工件尺寸较大（φ550mm×4000mm）、性能指标高，油冷淬火无法满足要求，采用更为激烈的冷却方式（如水冷）时，冷却时间不易控制，淬裂倾向较大。因此，如何在不降低工件强度的同时提高工件冲击韧度，成为制订热处理工艺过程中考虑的重要问题。中碳钢临界区淬火，由于能得到极细的奥氏体晶粒，并使磷等有害杂质集中于少量游离分散的铁素体晶粒中，因此可以提高钢的缺口韧性，降低冷脆转变温度，减小回火脆性。本文对这种工艺在实际生产中的应用进行实践和研究。

1. 42CrMo4钢的基本参数

42CrMo4材料的化学成分见表1，其临界点Ac1为730℃，Ac3为800℃，马氏体转变温度Ms为310℃。力学性能要求见表2。

2. 热处理工艺

（1）正常调质工艺曲线见图2，调质处理后的工件力学性能见表3。

可以看出，经调质后工件冲击性能无法满足图样要求，需对热处理工艺进行改进，加快冷却速度将增大工件的淬裂危险，考虑到工件强度已达到技术要求下限，也无法通过提高回火温度来提高冲击韧度。工件已进行调质，故采用亚温淬火工艺对工件进行二次热处理。

（2）亚温淬火工艺曲线见图3，亚温淬火处理后的工件力学性能见表4。

3. 分析与讨论

42CrMo4为亚共析钢，亚共析钢的正常淬火工艺是加热到Ac3+30～50℃的完全淬火，亚共析钢一般选择在Ac3以上淬火加热，但为了不致引起奥氏体晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷，温度不能选得过高，故原则上一般定为Ac3+20～50℃（在实际生产中，综合考虑其他因素，往往选为Ac3+40～70℃）。

近来的大量研究工作证明，如果在正常的淬火与回火之间进行一次（或数次）加热温度在Ac1～Ac3之间的亚温淬火，则能进一步提高钢的韧性，降低其脆性转化温度以及高温回火脆性，因而是一种有效的韧化措施。亚温淬火可以单独进行或完全淬火后进行，也可在调质后进行。如在调质后进行，亚温淬火、回火后可有效地提高钢的韧性。结果表明该工件在一次调质处理基础上采用亚温淬火重新热处理，其冲击韧度得到了提高。

金相观察表明，亚温淬火后得到了少量游离铁素体+马氏体+弥散分布的细小残留奥氏体，因此我们认为对亚温淬火提高材料韧性的机理为：磷等有害杂质集中在铁素体晶粒内（不在原奥氏体晶界上），残留奥氏体使裂纹扩展变得困难（因受塑性变形或产生部分马氏体转变使应力松弛），均会使钢的脆性转变温度降低。由此可知，亚温淬火后组织组成的数量、分布、大小及形态等必将对钢的性能产生影响；而组织特性又决定于处理时进入临界区的方式。如钢先在Ac3点上加热获得单相奥氏体后，降温进入临界区，则铁素体沿奥氏体晶界析出，或在奥氏体内成堆析出。若从低温加热升温进入临界区时，则铁素体是未溶解完全的，呈细小而均匀的分布，对提高韧性有良好的作用，所以亚温淬火时以升温进入临界区的效果较好。

至于应在Ac1与Ac3之间选择多高的淬火温度，尚无统一的见解。为了保证足够的强度并使残余铁素体均匀而细小，亚温淬火的温度最好选在比Ac3低不多的温度。正如已有的试验证明，过低的淬火温度（临近Ac1）反而会使钢的冲击韧度降低。

4. 结语

调质处理后亚温淬火可提高42CrMo4钢的冲击韧度。亚温淬 火能改善亚共析钢的韧性，减小回火脆性倾向的基本原因可能是：获得了适量的（均匀细小）铁素体；能引起脆化的杂质原子（P、Sb、Si）等在残余铁素体中富集，因而减少了在奥氏体晶界处偏聚的机会；所得奥氏体的晶粒比通常完全淬火则更为细小且形态也往往有所变化（可由粒状变为针状）。

图1 卷筒轴

图 2

图 3

表1 化学成分（质量分数）（EN 10083/3-2006） （%）

表2 力学性能要求

表3 调质后工件的力学性能

表4 亚温淬火后工件的力学性能