40Cr合金钢国内外标准技术指标的对比分析

张 鹏，种法国，袁淑君，赵新华

（山钢股份莱芜分公司，山东 济南271105）

1 前 言

40Cr 合金钢是我国用量最大的调质合金钢之一，被广泛用于制造连杆、轴类、螺栓和各类重要零部件［1-2］。2020版GB/T 24595在对国内曲轴钢市场需求和先进钢企研发、生产、检验实绩进行充分调研基础上，对40Cr 牌号的微合金元素含量、气体元素含量、交货硬度值、淬透性、非金属夹杂物、微观组织检验、无损检测等主要技术内容进行了修改和增补。目前，国内涉及到40Cr 牌号的标准包括GB/T 24595—2020、GB/T 3077—2015 等 5 项。为了研究40Cr 合金钢各标准中该牌号的化学成分设计、性能指标、微观组织检验等的差别，对比研究了GB/T 24595—2020 中40Cr 及其等同牌号的国内外标准情况，为该产品的生产和下游用户使用提供依据。

2 我国40Cr合金钢标准概况

目前，我国40Cr 合金钢相关国家标准共5 项，详细信息见表1。根据适用范围可分为3 类:第一类包括GB/T 3077—2015《合金结构钢》、GB/T 5216—2014《保淬透性结构钢》和GB/T 24595—2020《汽车调质曲轴用热轧钢棒》三项。GB/T 24595—2020采用了 GB/T 3077—2015 和 GB/T 5216—2014 中力学及工艺性能、低倍组织、非金属夹杂物、表面缺陷清理等的较高级别技术指标参数，进一步提高了奥氏体晶粒度、窄淬透性带的要求，新增了氢元素含量、压缩比、热轧态硬度、非金属夹杂物总量、带状组织和超声检测的规定，其技术内容和指标参数设定较好的满足了用户需求，体现了我国40Cr 热轧钢棒产品的研发现状及未来发展趋势；第二类为GB/T 11251—2009《合金结构钢热轧厚钢板》适用于热处理状态合金结构钢板，化学成分引用基础标准GB/T 3077；第三类为GB/T 17107—1997《锻件用结构钢牌号和力学性能》适用于调质处理后锻件，化学成分引用基础标准GB/T 3077。从我国40Cr合金钢市场情况来看，以热轧态钢棒为主，因此，本文将重点研究GB/T 24595—2020 与国外标准的技术指标对比情况。

表1 我国40Cr合金钢相关国家标准明细

3 40Cr合金钢国内外标准对比

经检索，40Cr合金钢相关的国外先进标准主要有 4 项:国际标准 ISO 683—2:2018、美标 ASTM A29/A29M—2016、日标 JIS G4053—2016 和俄标GOST 4543—2016。ISO 683—2:2018和GOST 4543—2016 对合金钢的化学成分、尺寸、外形、微观组织、力学及工艺性能、表面质量、检验规则等进行了详细规定。JIS G4053—2016 以 ISO 683—2 为基础，技术内容略有调整，主要规定了压缩比、化学成分、尺寸偏差、表面缺陷清除等。ASTM A29/A29M—2016主要规定了化学成分、奥氏体晶粒度、尺寸、外形及允许偏差、检验规则、产品标识等。表2 所列为40Cr合金钢相关国内外表示及牌号。

表2 国内外40Cr合金钢相关标准明细

3.1 化学成分

表3 所列为40Cr 合金钢等同牌号国内外标准中对化学成分的规定:各国标准均规定了C、Si、Mn、Cr 和Cu 元素含量，但含量范围和限值存在差异。GB/T 24595—2020 中Cu元素含量上限值明显低于其他标准，ISO 683—2:2018 中Si 元素含量范围较其他标准宽松，ASTM A29/A29M—2016 中Cr元素含量明显低于其他标准；GB/T 24595—2020和ASTM A29/A29M—2016 规定了Mo 元素含量上限值，但ASTM A29/A29M—2016 中指标更低；GB/T 24595—2020、ASTM A29/A29M—2016 和JIS G4053—2016 规定了Ni 元素含量上限值，但GB/T 24595—2020 的规定高于另外两个标准；GB/T 24595—2020 规定了氢元素和氧元素含量上限值；GOST 4543—2016规定了氮元素含量上限值。具体如下:1）GB/T 24595—2020 化学元素含量规定全面，P 含量要求较严格，S 和Cu 含量上限低于国外标准，明确规定了Mo、Ni、［O］和［H］元素含量上限；2）ISO 683—2:2018 未对 Mo、Ni 和气体元素含量作出规定，Si 元素含量范围设置较大，Cu 元素含量上限值设定高；3）JIS G4053—2016 未对 Mo 和气体元素含量作出规定；4）GOST 4543—2016 按照合金钢分级对P、S和Cu元素含量进行了分别规定，表中数值为低级别钢中含量要求，未规定Mo 和Ni 元素含量要求，未规定［N］和［O］元素含量要求，但是规定了［N］应≤0.008%；5）ASTM A29/A29M—2016 规定P、S元素含量上限较高，Cr元素含量的上下限显著低于其他标准，未规定气体元素含量要求。

表3 化学成分对比 %

3.2 奥氏体晶粒度

钢的晶粒度对钢的力学性能、工艺性能和热处理行为有着重要的影响，细晶粒钢具有较高的强度、冲击韧性、塑性以及良好的加工性［3］。表4为各国标准中对40Cr 合金钢棒奥氏体晶粒度的规定，可见GB/T 24595—2020的规定高于国外标准要求。

表4 奥氏体晶粒度对比

3.3 交货硬度

钢的交货硬度直接影响后续机加工的难易程度，因此需要对钢的交货硬度加以限制。GB/T 24595—2020 规定了40Cr 合金钢棒热轧态硬度上限值，GOST 4543—2016 规定了钢棒退火态的硬度值，ISO 683—2:2018 规定了+A（软化退火）、+S（处理以提高可切割性）和淬火后的表面硬度值，JIS G4053—2016 和 ASTM A29/A29M—2016 未对钢棒交货硬度作出规定。1）GB/T 24595—2020:40Cr钢棒热轧态交货硬度应≯HBW 300；2）ISO 683—2:2018 按照EN ISO 6506—1 测量硬度，+A（软化退火）状态下硬度应≯HBW 241，+S（处理以提高可切割性）状态下硬度应≯HBW 255，火焰淬火或感应淬火后钢的表面硬度应≮HRC 53；3）GOST 4543—2016硬度检测方法执行GOST 9012—59标准，规定退火状态合金钢棒的硬度应≯HBW 207。

3.4 力学及工艺性能

调质状态下合金钢棒的力学和工艺性能采用屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收功来表征。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018对合金钢棒的力学和工艺性能指标进行了规定。但是，ISO 683—2:2018的热处理制度、取样方法显著区别于GB/T 24595—2020 和GOST 4543—2016，其技术指标无可比性。JIS G4053—2016 中规定合金钢的力学和工艺性能由供需双方协商确定，ASTM A29/A29M—2016 规定了合金钢棒的力学和工艺性能检测方法，但是未规定指标参数数值。各国标准对合金钢棒力学和工艺性能的规定见表5。

表5 力学及工艺性能对比

3.5 淬透性

淬透性是钢的重要特性，是钢淬火时获得马氏体的能力，淬透性的好坏直接影响淬火后钢整个截面的综合力学性能［4-5］。GB/T 24595—2020、GOST 4543—2016和ISO 683—2:2018对合金钢棒的端淬性能进行规定，JIS G4053—2016中规定合金钢的淬透性由供需双方协商确定，ASTM A29/A29M—2016未对钢的淬透性作出规定。各国标准对合金钢棒淬透性的规定见表6，GB/T 24595—2020的淬透性指标范围更窄，有利于热处理变形及质量稳定性控制［6］。

表6 淬透性指标对比

4 结 论

4.1 2020 版 GB/T 24595 中对 40Cr 牌号的化学成分、气体元素含量、交货硬度值、淬透性、非金属夹杂物、微观组织检验、无损检测等主要技术内容进行了修改和增补，技术指标整体采用或者高于国内现行国家标准。

4.2 2020 版 GB/T 24595 与 ISO 683—2:2018、ASTM A29/A29M—2016、JIS G4053—2016 和GOST 4543—2016 相比，具有以下特点:化学元素规定全面，部分指标严于国外标准，规定了［O］和［H］元素含量要求，有利于提高产品内部质量、综合力学性能、机加工性能、使用寿命等［7-9］；奥氏体晶粒度的要求高于国外标准，有利于综合力学性能提高、窄淬透性带控制等；规定了合金钢棒的热轧态交货硬度，有利于产品检验和质量管控；强度性能指标与GOST 4543—2016 一致，直径80 mm 以下钢棒的断后伸长率略低于GOST 4543—2016，直径80 mm 以上钢棒的断后伸长率、断面收缩率和冲击吸收功的要求均高于GOST 4543—2016；淬透性的技术指标要求高于国外标准，有利于热处理变形及质量稳定性控制。