调质处理工艺对ZG40CrNiMo钢组织和性能的影响

王踊海,张伟强

(1.中航工业烟台航空液压控制有限责任公司,山东 烟台 265500;2.沈阳理工大学 环境与化学工程学院,沈阳 110159)

高强度铸钢在重型工程机械中发挥重要的作用,通常用于制造大型、复杂的承载或传动零部件。某大型运输机械中的链轮一般采用20CrMnTi钢经过锻造及渗碳后淬火+回火的热处理工艺,其生产周期长,制造成本较高,如果采用铸造链轮,则可以极大缩短链轮的生产周期;但除了表面耐磨性之外,链轮材料的整体强韧性应该满足链轮服役要求,而铸造材料和热处理工艺的选择是解决这一问题的关键。根据链轮服役状态,拟采用铸造高强度中碳合金钢取代锻造低碳低合金钢,并以轮齿部位中频感应淬火代替整体渗碳淬火处理。

高强度铸钢中一般含有Cr、Mo、Ni等合金元素,近些年在部分铸钢中添加Ti、V、B或RE等元素,在细化晶粒方面起到很好的作用,使其经过适当的热处理后具有较高的强度和优良的塑韧性[1-2]。国内大型机械零件中很少采用中碳高强度铸钢,这是由于存在着铸造组织粗大、疏松、夹杂等缺陷,或其含碳量相对较高,造成塑性和韧性不足等问题,因此,人们通常通过降低含碳量或者获得贝氏体钢等途径来提高材料的综合力学性能[3-8]。德国GS-40NiCrMo656铸钢均属于这类高强度钢,可用于制造煤矿机械大型重载零部件。本文参照德系铸钢GS-40NiCrMo656熔炼ZG40CrNiMo钢,为使该材料发挥最大的性能,需对其热处理工艺进行试验研究,以获得优化的热处理工艺参数,为生产实际提供理论指导。

1 实验方法

将试验用钢在中频炉中熔化后,在砂型中铸造成试样尺寸,如图1所示。ZG40NiCrMo铸钢的主要化学成分如表1所示,其临界转变温度[9]Ac1=732℃;Ac3=774℃。 将铸锭退火后分别加工成Φ5mm25 mm的拉伸试样及10mm10mm55 mm的V型缺口夏比冲击试样。

表1 ZG40NiCrMo钢化学成分 wt%

图1 ZG40NiCrMo钢锭尺寸图(单位:mm)

将试验用钢分别经过840℃、860℃和880℃加热,保温30min后油淬,再分别经过600℃、630℃和650℃回火90min,空冷。

利用HB3000-B布氏硬度计检测样品的布氏硬度;分别利用INSTRON5582微机控制电子万能实验机和JB-30A冲击试验机测试钢的拉伸性能和冲击韧性;利用200MAT金相显微镜观察金相组织,腐蚀剂采用4%硝酸酒精溶液,在日立S-34000N扫描电子显微镜上观察断口微观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2和图3分别是ZG40NiCrMo钢经860℃和880℃加热淬火并经600℃、630℃和650℃回火后的光学金相照片。经过上述不同温度加热淬火及高温回火后,铸钢的显微组织均为回火索氏体组织,由铁素体基体上分布有形状不规则的大小碳化物组成,具有良好的韧塑性和强度。对比不同温度淬火后的组织可以看出,经过880℃淬火的显微组织较860℃略显粗大。在860℃淬火的组织中,经过630℃回火组织较为细小均匀,这与该温度下马氏体分解为细小均匀的碳化物有关;880℃淬火组织经过回火后,随着回火温度升高,淬火马氏体的片状形态逐渐消失,这是由于碳化物的数量逐渐增多,碳化物尺寸逐渐增大造成的。

图3 ZG40NiCrMo钢880℃淬火+不同温度回火后金相组织

2.2 力学性能

试验用钢分别经过不同温度热处理后,其硬度、拉伸性能与冲击韧性分别如图4和表2所示。从图4可以看出,随着回火温度的提高,材料的硬度逐渐降低;而经过较低的840℃淬火后,钢的硬度较高;经过860℃和880℃加热淬火并经过600℃回火后的硬度相差不大。但经过较高温度(650℃)回火后,三种温度淬火的试件硬度已经较为接近。采用较低的淬火温度有助于细化奥氏体晶粒尺寸,增加奥氏体成分的不均匀性,提高淬火钢的硬度水平。

从表2中可以看出,在相同回火温度下,随着淬火加热温度升高,铸钢的强度、塑性和韧性分别有升有降,未观察到有明确的对应关系。

ZG40NiCrMo钢经过不同温度淬火、回火后的拉伸和冲击性能变化较大。在同一淬火温度下,回火温度越高,其强度指标降低,而塑性和冲击韧性有所提高。经过840℃加热淬火后,ZG40NiCrMo钢回火温度从600℃提高到630℃,其强度较高且下降不多,但冲击韧性则有明显提高。经过860℃淬火的试件,630℃和650℃回火后,其强度较600℃回火下降明显,塑性和韧性指标显著提高。经过880℃淬火及600℃回火的试件,其强度指标高达1300MPa以上。这是由于较高温度的奥氏体化可以促进碳化物的溶解,提高淬火后的马氏体硬度,Mo等元素的固溶促进了回火稳定性提高。但提高回火温度至630℃和650℃之后,其强度指标迅速降低,冲击韧性提高显著。

适当提高淬火加热温度可导致合金元素更多地溶入奥氏体,提高钢的淬透性,在回火过程中容易析出细小均匀的碳化物,这些因素均有助于钢的硬度和强度的提高,回火稳定性增加;但奥氏体晶粒的粗化也会引起钢的强韧性下降。所以,在相同温度回火后,淬火加热温度对强韧性的影响规律较为复杂,且淬火温度不宜过高。

图4 ZG40NiCrMo不同淬火和回火温度下的硬度

表2 ZG40NiCrMo不同淬火和回火温度下的拉伸与冲击性能

根据现场实际需要,铸钢热处理后的性能达到布氏硬度 ≥250,σb≥1000MPa,αk≥28J·m-2,只有这样才能在中频淬火后,零件的整体仍能保持较好的强韧性。为此,调质处理工艺采取860℃油冷淬火+630℃回火为宜。

2.3 断口分析

利用扫描电子显微镜观察冲击试件的断口(如图5所示)发现,铸钢经过调质处理后的冲击断口基本呈现脆性特征。低倍下观察以石状沿晶断口为主(图5a和5b),也伴有穿晶断裂。这是因为铸造过程中保留了较多的低熔点夹杂物,凝固后富集在晶界上,成为裂纹扩展的通道。在提高回火温度后断口的照片中(图5c和5d)显示,断口中存在着小而浅的微坑,且伴有解理平面(箭头指处)。

图5 冲击试样的断口形貌

综上所述,ZG40NiCrMo钢作为高强度钢之一,经过调质处理后,仍然能够保持较高的强度,其塑性韧性也得以提升,适合作为大型矿用机械零件使用。

3 结论

(1)随着回火温度的提高,ZG40CrNiMo钢的强度和硬度降低,而塑性和韧性提高;提高淬火加热温度对力学性能的影响规律较为复杂;热处理工艺为860℃淬火+630℃回火可获得较好的综合力学性能。

(2)ZG40CrNiMo钢的断口形貌呈现脆性断裂特征。