42CrMo4大型锻件调质其组织与冲击的探讨

牛 震，孟祥英

随着制造业的不断发展，对设备零部件的要求和材料的替代不断在进行更新。42CrMo4就是其中之一，目前广泛应用于汽车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、和石油深井钻杆与打捞工具等关键部位，由于这些关键部位零件应用的环境地点越来越广泛，例如高气压条件、高寒条件等等，因此，探讨此类大锻件调制后的组织与其机械性能就显得尤为重要。

1 工艺步骤及制定

1.1 工艺路线

电炉炉冶炼+LF+VD→浇注钢锭→热送或冷缓→钢锭加热→锻造→预处理→探伤→加工→调质→取样→检测。

1.2 冶炼

采用LF精炼+VD真空，浇注时要将模具中的杂物吹净，减少钢锭中的杂质成分，如表1所示[1]。

表1 根据国标中的化学成分标准与试验料成分对比（%）

1.3 锻造要求

由于此次实验要求检验直径630的42CrMo4圆钢，为保证产品的宏观质量，故采用镦粗与大下压量相结合的方式生产。

1.4 黑皮探伤

黑皮探伤的目的是确定坯料头部和尾部质量，同时检测其坯料内部是否存在宏观缺陷，对后续调质是否产生影响。

2 试验方法

2.1 淬火

对此圆钢采用水淬油冷的方法进行调质处理，淬火液采用水，淬火工艺如图1所示[2]。

淬火采用水空冷却当躲过鼻尖后再用油冷至室温，再进行回火工艺。

图1 淬火工艺

2.2 回火

回火采用高温回火既能获得较强屈服的同时又能保证其韧性，工艺如图2所示。

3 取片

对调质后的锻件取横向片，对试样用4%硝酸酒精溶液侵蚀，用METAVAL金相显微镜观察金相组织，从工件边缘一直观察到心部。

4 实验结果

0～10 mm，回火索氏体。

11～15 mm，回火索氏体+少量上贝氏体。

16～20 mm，回火索氏体+少量铁素体。

21～50 mm，回火索氏体+块状铁素体。

51～130 mm，回火索氏体+块状铁素体+珠光体。

131到中心，片状珠光体+网状+块状铁素体。

图2 回火工艺

距表面25.4 mm和80 mm和112.5 mm和心部的金相组织（500X）分别如图3、图4、图5、图6所示。

截面处3个不同位置的机械性能作分析如表2所示。

5 讨论

由实验结果可知，在42CrMo4截面中主要的产物有上贝氏体、铁素体、块状铁素体、和珠光体、网状铁素体。

上贝氏体：上贝氏体的产生可能是由于淬火时空冷使在淬火时得到了少量上贝氏体，也可能是由于回火时在中温区保温室残余奥氏体的转变进而得到上贝氏体。

铁素体、块状铁素体与网状：主要是因为奥氏体均匀程度及冷却速度有关，同时还与偏析有一定的关系。当工件加热到奥氏体温度时，铁素体还未来得及扩散达到均匀奥氏体化时。若保温时间不足，奥氏体没有完全达到均匀化，在冷却时铁素体极易析出，回火时仍保留原来的形态造成网状或块状铁素体。

图3 42CrMo4 25.4 mm处组织（500X）回火索氏体

图4 42CrMo4 25.4mm处组织（500X）回火索氏体+铁素体

图5 42CrMo4 112.5 mm处组织（500X）回火索氏体+块状铁素体

图6 42CrMo4心部组织（500X）片状珠光体+网状+块状铁素体

表2 不同位置的机械性能

珠光体：主要是因为大锻件心部冷却非常缓慢，及时外部表面用水冷心部温度很少发生变化，故心部部分存在退火组织珠光体。

通过对各个部位的组织与表面至心部的机械性能相结合可知：从表面至心部42CrMo4的冲击功逐渐降低。屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率虽没明显变化，但是趋势也是降低的。

由此可推断在寒冷地区，42CrMo4的使用条件非常受限。

在低温下产生冲击功下降的因素有很多方面，例如化学元素、或在某一方面发生韧脆转变、淬透性、原始组织形态等因素都影响其机械性能。

单从本次实验的调质工艺来看，回火后表面主要得到的是索氏体。而在表面出现的上贝氏体可能在回火低保时由残余奥氏体产生的上贝氏体。上贝氏体呈条分布于条状铁素体板条之间改变为细小弥散分布于铁素体内部，上贝氏体条间分布着细长条状的碳化物这种组织不均匀性是变形不均匀，条间易于开裂过早造成断裂。但是在0～20 mm时只有少量的贝氏体和铁素体，所以起主导作用的还是回火索氏体，因为回火索氏体具有较高的强度同时还能保持相对高的韧性，所以在自表面至20 mm中其保持良好的塑韧性。

在20 mm处冲击功随温度的降低而降低，主要是因为温度的降低而引起了冷脆性。

在50 mm时低温下冲击功降低主要是因为块状铁素体的出现，正常情况下铁素体是软的，当铁素体弥散均匀地分布在渗碳体中时对钢材的整体起到强化的作用，但是在50 mm处出现了块状铁素体，因为块状铁素体的特性使在常温下50 mm处的冲击功低于表面的处常温的冲击功。

但是在﹣20 ℃时，50 mm处的冲击功与112.5 mm处的冲击功与表面处﹣20 ℃的冲击功对比发生了急剧的降低，这种变化主要是因为在低温时42CrMo4其内部组织的构成发生了韧-脆转变，当钢在某一低温时其力学性能发生明显的变化，在低于这一温度时钢材变得非常脆，这种性质又称冷脆性。这一温度又称韧-脆转变温度。影响钢的冲击韧性和韧-脆转变温度的因素有很多，主要包括C的含量、晶粒度、固溶元素等[3]。

在51～130mm处因为出现了珠光体，珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体，因而具有较高的韧-脆转化温度，一般钢中每增加1%体积的珠光体，将使韧脆转变温度升高2.2 ℃，固在112.5 mm处因为珠光体使韧-脆转变温度升高，在﹣20 ℃以下的温度冲击功发生了急剧的降低。所以在大型棒材42CrMo4调质时心部要减少珠光体的产生。当Cr，Mo溶解到奥氏体中后，都增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。其中Mo的影响最为剧烈。同时Cr，Mo等碳化物形成元素，不但使C曲线右移，而且改变C曲线的形状，高温区和中温区分离形成两个鼻子，部分重叠或一前一后。固在淬火时要在不裂的条件下，采用循环水不断冲击调质件表面的同时减少空冷的时间。

[参考文献]

[1] 百度文库.EN10083：3-2006淬火和回火钢钢CH[EB/OL].（2010-10-24）[2018-01-22].https://wenku.baidu.com/view/ab94f47302768e9951e7389c.html.

[2] 潘建生.热处理手册第一卷[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]吴承建.金属材料学[M].北京：冶金工业出版社，2009.