42CrMo4钢棒材的调质处理

郑 挺 史 文,3 张 青 鲍新城 蒋 振 顾晓文

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444； 2.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200444；3.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室，上海 200444； 4.江苏南钢通恒特材科技有限公司，江苏 南京 210035； 5.上海上大热处理有限公司，上海 201822)

42CrMo4钢是制造风电紧固件的主要材料，调质处理可显著提高其综合力学性能[1]。目前，风电紧固件常用的调质加热设备有台车炉、网带炉和感应加热装置等[2]。网带炉的生产率高，产品质量稳定，易实现自动化操作。但网带炉调质生产线在使用中产品易卡住，炉膛难以清理，排放烟气，工件的尺寸受限制。感应加热的最大特点是加热快速，奥氏体晶粒不易长大，有利于提高工件的性能[3-4]。经相同工艺淬火的小零件，回火时快速加热有利于保持较高的位错密度，延迟过渡碳化物转变为最终碳化物，缩短碳化物的球化时间，获得更细小均匀的碳化物，从而提高材料的强塑性[5-8]。通过控制回火的加热速度、温度和保温时间可控制碳化物在大角度晶界和小角度晶界的析出，进一步提高材料的性能[9-11]。但由于感应加热时间很短，比较难以控制[12-14]。本文通过试验和数值模拟研究了42CrMo4钢棒材采用中频感应加热装置和网带炉调质后的组织和力学性能，探索以中频感应加热调质替代传统设备调质的可行性。

1 试验材料和方法

试验用42CrMo4钢棒材的化学成分如表1所示。棒材直径28和40 mm，长500 mm。棒材采用感应加热装置和网带炉调质处理的工艺见表2。

表1 试验用42CrMo4钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the 42CrMo4 steel used for test(mass fraction) %

表2 42CrMo4钢棒材的调质工艺Table 2 Quenching and tempering processes of the 42CrMo4 steel bars

棒材调质后制备金相试样，采用MA100型倒置式金相显微镜和Nova Nano SEM 450型场发射扫描电子显微镜(SEM,scanning electron microscope)进行金相检验。根据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》，采用体积分数为15%的盐酸和酒精混合液显示试样的晶界，用三圆截点法评定晶粒度。采用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计和MH-3L型显微硬度计测量硬度。根据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》制备拉伸试样，尺寸如图1所示，采用CMT5105型微机控制电子万能试验机进行拉伸试验。按GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行-40 ℃冲击试验，试样尺寸10 mm×10 mm×50 mm，V形缺口，采用HITACHI SU-1500型钨灯丝扫描电子显微镜检验试样的断口形貌。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of the tensile specimen

采用UG软件获得棒材和线圈的三维模型，用Hypermesh软件进行网格划分，采用Deform软件模拟42CrMo4钢棒材的感应加热淬火过程。

2 试验结果和分析

2.1 表面质量

经感应加热调质和网带炉调质的棒材的表面状态如图2所示。对比可见，感应加热调质的棒材表面光洁，而网带炉调质的棒材表面有很明显的氧化层，这在一定程度上降低了材料的利用率。

图2 感应加热(a)和网带炉加热(b)调质处理的42CrMo4钢棒材的表面形貌Fig.2 Macroscopic appearances of the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering by induction (a) and mesh belt furnace (b) heating

图3为棒材截面的微观形貌。当连续3点的硬度值相近时，表明从这3个硬度测定点的第1点起，对应的组织为未脱碳的调质组织，从表面至该部位的距离为脱碳层。可以看出，感应加热调质的φ28 mm 棒材几乎没有脱碳，而网带炉调质的φ28 mm棒材脱碳层厚度约247 μm。经两种设备调质的φ40 mm 棒材均有脱碳层，但感应加热调质的棒材脱碳层较薄，约为137 μm，而网带炉调质的棒材的脱碳层较厚，约为311 μm。

图3 经感应加热(a,c)和网带炉加热(b,d)调质的直径28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4钢棒材截面的微观形貌Fig.3 Micrographs of section of the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

由于感应加热的速度快、时间短，棒材的氧化脱碳轻微。为避免棒材氧化脱碳，网带炉调质线配备了气氛保护系统，但提高了生产成本。

2.2 显微组织

图4、图5为调质后两种直径棒材不同部位的显微组织，棒材边缘的组织为回火索氏体和极少量的铁素体，1/4直径处和中心有一些白色组织。

图4 经感应加热(a,b,c)和网带炉加热(d,e,f)调质的φ28 mm 42CrMo4钢棒材边缘(a,d)、1/4直径处(b,e)和中心(c,f)的显微组织Fig.4 Microstructures at edge(a,d), 1/4 diameter below surface (b,e) and in center(c,f) for the 42CrMo4 steel bars 28 mm in diameter after quenching and tempering by induction (a,b,c) and mesh belt furnace (d,e,f) heating

图5 经感应加热(a,b,c)和网带炉加热(d,e,f)调质的φ40 mm 42CrMo4钢棒材边缘(a,d)、1/4直径处(b,e)和中心(c,f)的显微组织Fig.5 Microstructures at edge(a,d), 1/4 diameter below surface(b,e) and in center(c,f) for the 42CrMo4 steel bars 40 mm in diameter after quenching and tempering by induction(a,b,c) and mesh belt furnace (d,e,f) heating

采用两种设备调质的棒材不同区域的硬度列于表3。表3中序号1、2、3为正常组织的硬度，序号4、5、6为白色组织的硬度，白色组织的硬度明显高于正常回火索氏体的硬度。

表3 42CrMo4钢棒材调质处理后不同区域的硬度Table 3 Hardness of different areas in the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering HV0.05

图6为棒材的扫描电镜照片，图中位置1～3对应白色组织，4～6对应白色区域附近的组织。由表4可知，位置1～3的合金元素含量高于正常值，而4～6的合金元素含量低于正常值。这说明白色组织中有合金元素偏聚，导致其未充分回火。

表4 42CrMo4钢棒材调质处理后的能谱分析结果(质量分数)Table 4 Energy spectrum analysis results of the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering (mass fraction) %

图6 42CrMo4钢棒材调质处理后的扫描电镜照片Fig.6 SEM micrograph of the 42CrMo4 steel bar after quenching and tempering

2.3 碳化物

用扫描电镜检测了经两种设备调质后棒材的碳化物，如图7所示。组织中大部分碳化物已球化，部分弥散分布于基体中。

图7 经感应加热(a,c)和网带炉加热(b,d)调质的直径28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4钢棒材中碳化物的SEM形貌Fig.7 SEM views of carbides in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

测定了碳化物的尺寸，并统计了不同尺寸碳化的个数，结果见图8。经两种设备调质的棒材中碳化物的尺寸大多为40～80 nm。

图8 经感应加热(a,c)和网带炉加热(b,d)调质的直径28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4钢棒材中碳化物的尺寸分布Fig.8 Size distributions of carbides in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction(a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.4 晶粒度

图9为经感应加热和网带炉加热调质后棒材的晶粒大小。经感应加热调质的φ28 mm 棒材的晶粒度为10.6级，而经网带炉加热调质的φ28 mm 棒材的晶粒度为10.4级；感应加热调质的φ40 mm棒材的晶粒度为10.8级，而网带炉加热调质的φ40 mm棒材为10.3级。

图9 经感应加热(a,c)和网带炉加热(b,d)调质的直径28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4钢棒材的晶粒大小Fig.9 Size of grains in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.5 硬度

图10为调质后棒材的硬度。中频感应加热调质的φ28 mm 棒材的硬度为35～37 HRC，略低于网带炉调质的硬度；采用两种设备加热调质的φ40 mm棒材的硬度均为36～38 HRC。

图10 调质后直径28(a)和40 mm(b) 42CrMo4钢棒材表面至中心的硬度分布Fig.10 Hardness distributions from surface to center in the 42CrMo4 steel bars 28 (a) and 40 mm (b) in diameter after quenching and tempering

2.6 拉伸性能

两种直径的42CrMo4棒材采用两种设备调质处理后的拉伸性能列于表5、表6，其强度与塑性之间的对应关系符合常规。

表5 φ28 mm棒材调质后的拉伸性能Table 5 Tensile properties of the 28-mm-diam bar after quenching and tempering

表6 φ40 mm棒材调质后的拉伸性能Table 6 Tensile properties of the 40-mm-diam bar after quenching and tempering

2.7 冲击性能

调质处理后棒材的-40 ℃冲击性能见表7和表8。

表7 φ28 mm棒材调质后的-40 ℃冲击吸收能量Table 7 Impact absorption energy at -40 ℃ of the 28-mm-diam bar after quenching and tempering J

表8 φ40 mm棒材调质后的-40 ℃冲击吸收能量Table 8 Impact absorption energy at -40 ℃ of the 40-mm-diam bar after quenching and tempering J

冲击试样断口形貌如图11所示。采用两种设备加热调质的棒材冲击试样的断口形貌相似，均有大量的韧窝，为韧性断裂，说明棒材的低温冲击韧性都较好。

图11 经感应加热(a,c)和网带炉加热(b,d)调质的直径28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4钢棒材冲击试样的断口形貌Fig.11 Fracture patterns of impact samples cut from the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameter after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.8 感应淬火加热过程的数值模拟

利用Deform软件模拟了42CrMo4钢棒材的中频感应淬火加热过程,如图12所示。在感应淬火加热初期，棒材的加热速率在20 ℃/s以上，棒材内温差大于100 ℃；将棒材加热至奥氏体化温度以上时，加热速率降至约2 ℃/s，棒材内温差小于10 ℃，加热较均匀，接近网带炉的加热速率，因此用两种设备调质处理的棒材晶粒度相近[15]。

图12 模拟的直径28(a)和40 mm(b) 42CrMo4钢棒材中频感应加热奥氏体化的加热速率Fig.12 Simulated rates of medium-frequency induction heating for austenitizing for the 42CrMo4 steel bars 28(a) and 40 mm (b) in diameter

3 结论

(1)经感应加热调质和网带炉加热调质的42CrMo4钢棒材的硬度、晶粒度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率和冲击韧性均相近。

(2)通过数值模拟得出的42CrMo4钢棒材感应淬火加热的速率起初为20 ℃/s以上，当棒材达到奥氏体化温度以上时，降低至2 ℃/s左右。