冷却速度对42CrMo4钢组织转变及性能影响

杨伟光，刘年富，宋加兵

(1.宝钢特钢韶关有限公司，广东 韶关 512123； 2.安徽安簧机械股份有限公司，安徽 安庆 246005)

42CrMo4钢为欧洲标准EN 10083-3牌号，与我国GB/T 5216标准中42CrMoH牌号相近似，具有较高的淬透性。该材料性能优良，广泛应用于汽车零件、工程机械和机电设备等领域[1-4]。42CrMo4钢在广泛使用的同时，客户需要钢材具有较低的硬度，以满足其下料剪切或锯切效率的提高。在常规的生产中，42CrMo4钢轧制后，在冷床上经过长时间的自然冷却，硬度比较高[5]，维氏硬度可达到300 HV1。较高的硬度无法满足客户高效率下料的要求，为获得较低的硬度，需要对42CrMo4钢轧制后的冷却速度进行合理控制。通过合理的控制，使钢材形成铁素体和珠光体组织，从而获得较低的硬度，尽量避免产生贝氏体或马氏体组织。本文通过对42CrMo4钢在Ar3温度点以下，进行等温转变时组织和硬度的研究，为钢材轧制后的冷却控制提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为42CrMo4钢，化学成分如表1所示。将尺寸320 mm×425 mm横截面连铸坯轧制成直径φ75 mm圆钢，圆钢轧制后在空气中自然冷却至室温。在距离圆钢表面1/4直径的位置加工成尺寸大小为φ6 mm×81mm试样。

表1 42CrMo4钢化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

使用Gleeble-3800热模拟机，通过热膨胀法试验测量膨胀系数，从而测定各相变点温度；使用莱卡DM-4000M金相显微镜进行金相组织观察；使用Zwick ZHV-1型号维氏硬度计测量维氏硬度[6-9]。

2 试验过程

2.1 相变点测定

在真空条件下，以10 ℃/s加热速度将试样升温至500 ℃；然后以0.05 ℃/s加热速度升温至960 ℃，保温10 min；再以0.05 ℃/s冷却速度将试样冷却至400 ℃；最后以10 ℃/s冷却速度将试样冷却至室温，如图1所示。通过试验，得到试样膨胀量-时间曲线和相变点温度，如图2和表2所示。

图1 测定42CrMo4钢相变点时间-温度控制曲线

图2 42CrMo4钢膨胀系数-温度曲线

表2 42CrMo4钢各相变点温度(℃)

2.2 等温转变试验

有关资料显示[10]，42CrMo4同类型材料，轧制后通过适合的冷却速度控制，可获得硬度较低的铁素体和珠光体组织。

等温转变试验以10 ℃/s的升温速度将试样加热到960 ℃，保温10 min；然后将试样分别以1、3和6 ℃/s冷却速度冷却至保温温度，保温温度区间为700～610 ℃，每间隔10 ℃为一个等温点，保温温度区间下限根据试验具体情况确定，保温时间30 min；最后以30 ℃/s的冷却速率冷却至室温。对试样进行组织和维氏硬度检测，从而确定获得较低硬度的铁素体和珠光体组织的等温区间。

2.3 试验结果

试样在960 ℃温度下保温10 min后，以1 ℃/s冷却速度分别冷却至700、690、680、670、660、650、640、630、620和610 ℃，分别保温30 min，组织转变产物和维氏硬度如表3所示，显微组织如图3所示。

试样在960 ℃温度下保温10 min后，以3 ℃/s冷却速度分别冷却至700、690、680、670、660、650、640、630和620 ℃，分别保温30 min，组织转变产物和维氏硬度如表4所示，显微组织如图4所示。

试样在960 ℃温度下保温10 min后，以6 ℃/s冷却速度分别冷却至700、690、680、670、660、650、640和630 ℃，分别保温30 min，组织转变产物和维氏硬度如表5所示，显微组织如图5所示。

表3 1 ℃/s冷却速度和不同等温温度下组织转变产物及维氏硬度

表4 3 ℃/s冷却速度和不同等温温度下组织转变产物及维氏硬度

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃；(i) 620 ℃；(j) 610 ℃

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃；(i) 620 ℃

表5 6 ℃/s冷却速度和不同等温温度下组织转变产物及维氏硬度

(a) 700 ℃；(b) 690 ℃；(c) 680 ℃；(d) 670 ℃；(e) 660 ℃；(f) 650 ℃；(g) 640 ℃；(h) 630 ℃

2.4 试验结果分析

由表3和图3可看出，等温温度为700～620 ℃时，过冷奥氏体完成组织转变，为铁素体和珠光体组织。其中等温温度分别为700、690、680、670、660和650 ℃时，维氏硬度值分别为230、225、226、237、242和242 HV1；等温温度分别为640、630和620 ℃时，维氏硬度值分别为278、287和291 HV1，维氏硬度值高于等温温度640 ℃以上时的维氏硬度值。等温温度为610 ℃，组织为铁素体、珠光体和大量马氏体，维氏硬度值为305 HV1，说明经过30 min等温组织转变后，仍有大量过冷奥氏体未发生转变。因此在等温后的快速冷却过程中形成马氏体组织，由于马氏体组织的存在，导致维氏硬度值进行一步升高。

由表4和图4可看出，等温温度为700～650 ℃时，过冷奥氏体完成组织转变，为铁素体和珠光体组织，其中等温温度分别为700、690、680和670 ℃时，维氏硬度值分别为237、233、234、和244 HV1；等温温度为660和650 ℃时，维氏硬度值分别为274和273 HV1，维氏硬度值高于等温温度660 ℃以上时的维氏硬度值。等温温度为640～620 ℃时，组织为铁素体、珠光体和不同含量的马氏体，维氏硬度值在290 HV1以上，说明经过30 min等温组织转变后，也仍有过冷奥氏体未发生转变。因此在等温后的快速冷却过程中形成马氏体组织，从而导致维氏硬度升高。

由表5和图5可看出，等温温度为700～650 ℃时，过冷奥氏体完成组织转变，为铁素体和珠光体组织，其中等温温度分别为700、690、680和670 ℃时，维氏硬度值分别为232、238、243、和250 HV1；等温温度为660和650 ℃时，维氏硬度值分别为272和274 HV1，维氏硬度值高于等温温度660 ℃以上时的维氏硬度值。等温温度为640～630 ℃时，组织为铁素体、珠光体和不同含量的马氏体，维氏硬度值在300 HV1以上，说明经过30 min等温组织转变后，也仍有过冷奥氏体未发生转变。因此在等温后快速冷却的过程中形成不同含量的马氏体组织，从而导致维氏硬度不同程度地升高。

通过以上分析可以看出，在相同等温前冷却速度下，随着等温温度的降低，维氏硬度值呈逐渐升高趋势；在相同等温温度下，随着等温前冷却速度的提高，维氏硬度值也呈逐渐升高的趋势，如图6所示。

图6 不同等温前冷却速度和不同等温温度下维氏硬度

3 应用探讨

客户要求该圆钢供货维氏硬度不超过250 HV1，且组织为铁素体+珠光体，以便于保证其下料锯切效率。该圆钢在钢厂生产中，完成轧制后终轧温度很高，一般高于850 ℃，而轧制后采用空冷的方式进行冷却，硬度值远高于250 HV1。因此需要在轧制后，以一定的冷却速度降至适当温度，然后进行保温，从而获得符合要求的硬度值和组织。

研究结果显示，等温转前冷却速度为1 ℃/s，在700～650 ℃等温转变30 min,可获得≤250 HV1硬度值和铁素体+珠光体组织；而等温转前冷却速度为3和6 ℃/s，在700～670 ℃等温转变30 min，可获得≤250 HV1硬度值和铁素体+珠光体组织。该研究结果为钢厂在圆钢轧后的冷却和保温工艺制定提供参考，钢厂根据自身工艺设备的控制能力，选择不同的冷却速度和保温温度。