42CrMoS4H热轧圆钢热处理工艺优化试验

欧阳峥容，郑桂芸，张冠锋

（山钢股份莱芜分公司 技术中心，山东 莱芜271004）

1　前言

42CrMoS4H出自欧标EN 10083-3:2006《Steel for Quenching and Tempering》的中碳Cr-Mo钢，对应国标GB/T 3077中的42CrMoA钢，并添加0.020%～0.040%的S，改善钢的切削性能。42CrMoS4H钢具有良好的综合机械，淬透性高，韧性好，淬火时变形小，有高的蠕变强度和持久强度，常用于制造要求强度更高和调质截面更大的锻件，如工程机械用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹等。而42CrMoS4H钢良好的综合机械性能需要通过热处理工序实现。采用不同的热处理，会使金属材料得到不同的组织，从而获得所需要的性能。热处理工序是提高材料的强度、改善内部组织的重要环节［1］。

本研究分析了42CrMoS4H钢中频淬火+高温回火处理对力学性能的影响，分析热处理工艺制度对42CrMoS4H钢显微组织的影响，并通过工艺调整，摸索合适的热处理工艺制度，保证钢热处理后的综合机械性能。

2　生产工艺及热处理工艺

42CrMoS4H钢生产工艺：电炉冶炼（铁水+废钢）→LF精炼+VD脱气→连铸+电磁搅拌（坯型260 mm×300 mm）→轧制成材。

热处理工艺：根据EN 10083-3:2006标准要求，42CrMoS4H钢为了达到表1要求的力学性能，推荐的热处理制度为：820～880℃油淬或水淬，奥氏体化时间≥30 min；回火温度540～680℃，保温时间≥60 min。设计的热处理工艺见表2（3种热处理方案的回火温度均为600℃，冷却方式均为随炉冷却120 min后出炉）。

表1　42CrMoS4H钢标准要求的热处理后力学性能

表2　设计的热处理工艺方案

试验材料为Φ78 mm规格42CrMoS4H钢两炉，每个炉次5 t。首先按表2热处理方案中工艺1进行热处理。由于中频淬火需要一定的过热度，首次设定的最高温度为900～920℃，高于标准要求。

3　试验结果

3.1化学成分

对两炉试验钢进行化学成分分析，结果（质量分数）见表2，两炉钢化学成分符合EN10083-3:2006标准的成品化学成分要求。

表3　42CrMoS4H钢化学成分（质量分数）%

3.2力学性能

按照欧标要求，在距离表面12.5 mm处取拉伸样及冲击试样，按不同热处理方案处理的钢材，其力学性能检验结果如表4所示（试验钢材直径为78 mm）。按热处理工艺1处理的钢材屈服强度、抗拉强度、断面收缩率均不满足标准要求，冲击韧性基本满足要求。

表4　力学性能检验结果

3.3显微组织

取截面样分析从端部到中心热处理后组织的变化。按工艺1处理的试样金相组织如图1所示，端部组织主要为回火索氏体和少量的马氏体，马氏体深度4～5 mm。出现回火索氏体说明淬火过程中出现自回火。距离端部12 mm处出现的大量的上贝氏体为热轧组织，非淬火组织，而拉伸和冲击试样在距离半径12.5 mm处取样，所以所做拉伸和冲击试样基本为原始组织经回火处理，因此强度低，塑性差。

图1　工艺1淬火试样金相组织

为了提高强度，对该批料进行二次淬火，提高淬火温度，降低行进速度。按热处理方案中工艺2进行热处理，同样每炉钢各取2支拉伸试样及3支冲击试样（检验结果见表4）。二次淬火后，强度得到大幅度提高，塑性得到改善，但冲击韧性恶化。工艺2淬火试样金相组织如图2所示。试样端部为马氏体和索氏体（见图2a）；距离半径端部15 mm处，马氏体量很少，基本为回火索氏体（见图2b）；距离20 mm处，出现上贝氏体（见图2c）；25mm处，上贝氏体明显（见图2d）；30 mm处，组织为铁素体、珠光体、上贝氏体和少量回火索氏体。从组织上看，二次淬火已经淬透，但依然存在自回火。二次淬火后，冲击性能不合，冲击韧性主要与回火处理有关。回火试样的金相组织如图3所示。

图2　工艺2淬火试样金相组织

图3　工艺2调质处理后试验钢试样的金相组织

从金相组织看，从端部到中心，与淬火样相比，组织差别不大，只是组织比例有区别。端部到距离端部20 mm以内依然是马氏体和回火索氏体，回火样的回火索氏体比例比淬火样的回火索氏体比例大。20 mm处出现上贝氏体，25 mm处上贝氏体明显，30 mm处为铁素体、珠光体、上贝氏体和少量回火索氏体。另外，该组织晶粒粗大，大晶粒尺寸达到60 μm。粗晶粒直接影响钢材的冲击韧性，淬火温度高，促进了晶粒长大，回火组织存在马氏体，回火不彻底。为了进一步保证回火组织转变完全，可以提高加热温度及延长保温时间，但为了保证晶粒度，再提高温度不可取，且温度高强度有可能下降。因此，为了改善冲击韧性，延长保温时间进行二次回火。二次回火后，依然每炉测2个拉伸试样3个冲击试样，测试结果表明（见表4工艺3）强度有所下降，但满足标准要求，塑性得到进一步改善，冲击韧性良好（约90 J），完全满足标准要求。

4　分析与讨论

1）强度及冲击韧性不达标试样及正常试样的化学成分均符合欧标EN10083-3:2006标准之规定，且试样之间质量分数波动小，较稳定。

2）淬透与未淬透的钢，经高温回火后，淬透部分的Rm、Rel、Z等值均比未淬透部分明显较高。从表4看出，不达标试样的屈服强度、抗拉强度以及断面收缩率值明显低于正常试样值。试样的显微观察结果表明，强度不达标试样主要是未淬透，淬火后的拉伸试样依然为原始热轧态的贝氏体组织，该组织经高温回火后强度提升不明显，因此试样的强度较低。

3）42CrMoS4H为中碳铬钼钢，0.90%～1.20%的Cr，一方面提高钢的强度，另一方面增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。Cr提高钢A1点的温度，当淬火温度高时，降低Ms点，反之则升高Ms点［2］。试验中出现的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性不达标，主要是加热温度过低且保温时间不足，钢中没有充分奥氏体化，C和Cr溶入奥氏体中不足，未能充分发挥Cr提高淬透性的作用，淬火不充分使试样的拉伸性能下降；第二是Cr提高了钢的回火稳定性，回火温度偏高，保温时间不足，组织转变不充分。

随回火温度的上升，屈服强度、抗拉强度明显下降，其中Cr在高温回火阶段随温度升高阻止马氏体分解，从而影响碳化物析出，高温回火后所得到碳化物颗粒较少或不均匀，使强度、韧性降低。第三是中频淬火为了保证一定的过热度，保证钢完全奥氏体化，加热温度较高，使得晶粒粗大，影响钢的冲击韧性。第四因中频淬火行进速度预先设定，行进速度过快，温度不够，且保温时间短，无法淬透，行进速度过慢，温度过高，入水前温降大，均不利。目前根据经验行进速度控制约50 Hz，水量按最大值设定，出水后钢材表面温度依然有400℃，因此，自回火无法避免。

5　结论

5.1在淬火温度低保温时间短的情况下，钢材未淬透，从而使钢材强度与塑性下降。42CrMoS4H钢中频淬火最高温度930～940℃，入水温度820～840℃，行进速度50 Hz，能保证钢材淬透。

5.2高温回火温度确定为600℃，但若保温时间短，组织转变不完全，加之淬火温度较高，晶粒粗大，冲击韧性差，为了保证冲击韧性，回火保温时间不能低于2 h。