热处理工艺对SAE4140钢板组织和性能的影响

吴 扬，张 军

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214400）

1 引言

SAE4140钢属于ASTM标准牌号，相当于国标42CrMo，具有高强度、高淬透性、高韧性特点[1]。SAE4140钢板因其具有良好的力学性能及机械加工性能，被广泛应用于机械制造、模具、车辆工程等领域，市场需求量很大[2]。

SAE4140钢板通常是淬火+回火（QT）后交货，但在SAE4140钢板的调质热处理过程中容易出现淬火后钢板瓢曲或开裂等问题，造成客户无法使用。尤其是薄规格（厚度≤15mm）钢板，由于淬火冷却时钢板内应力大，淬火后瓢曲或开裂的倾向更大[3]。图1所示某钢厂厚度13mm的SAE4140钢板淬火后边部出现纵向开裂。针对此种情况，结合SAE4140钢板成分和淬透性特性，本文拟通过研究正火+回火工艺（NT）和QT态钢板的组织和性能，对比分析两种交货态下SAE4140钢板性能的变化。在分析讨论的基础上制定出合理的正火+回火（NT）热处理工艺，代替13mm厚度以下SAE4140钢板调质（QT）工艺，满足钢板性能的前提下避免淬火开裂，而且降低热处理生产成本。

图1 SAE4140钢板开裂

2 试验材料及方法

试验材料是采用150mm厚连铸坯经加热炉加热、高压水除鳞，经双机架轧制成13mm厚的SAE4140钢板，其化学成分如表1所示。结合SAE4140钢板CCT曲线转变特性和生产工艺装备情况[4～5]，制定5种热处理工艺对比试验，具体热处理工艺参数见表2所示。

表1 化学成分 %

表2 试验钢板热处理工艺参数

钢板热处理试验过程共取7块试样，其中正火和淬火试样各1块，其余5块试样为回火试样。正火和淬火试样检测硬度和金相组织，回火试样检测拉伸性能、硬度和金相组织。所有检验均按照相关国家标准进行，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》利用万能试验机检测钢板拉伸性能；根据GB/T231.1-2010《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》利用BH3000布氏硬度计检测材料的硬度；金相试样经制样抛光及4%的硝酸酒精溶液腐蚀后利用光学显微镜观测分析金相组织。

3 实验结果与分析

3.1 正火和淬火态钢板的组织和硬度。

图2所示分别是SAE4140钢板在加热到850℃，保温30min后分别空冷和水冷得到的试样金相组织。正火试样主要是贝氏体+少量马氏体，淬火试样主要是板条马氏体组织。正火试样布氏硬度检测3点的平均值是355HBW，淬火试样布氏硬度3点平均值是518HBW，两种热处理态试样硬度都高于最终要求硬度269～321HBW。正火试样组织较均匀，未发现明显带状组织，布氏硬度小于淬火试样163HBW，内应力相对较小，开裂风险低。

图2 SAE4140钢板正火和淬火态组织

3.2 不同回火工艺的组织和性能

根据正火和淬火态钢板组织和硬度检测结果，正火试样分别加热至500℃、520℃、540℃以及560℃，保温90min进行回火，淬火试样加热至600℃，保温90min回火。热处理后检测5块回火试样的金相组织、硬度和拉伸性能。检测结果如下：

（1）组织。图3中1#～4#试样是正火钢板在500℃～560℃温度下回火后的微观组织，4块试样组织都是回火索氏体，基体组织上弥散分布着颗粒状碳化物，未发现板条或针状形貌组织。但1#试样可以看到明显带状，随着回火温度升高，2#、3#和4#试样带状组织逐渐淡化，碳化物分布更加均匀。5#试样是QT态微观组织，由图3中可以发现原马氏体板条束已经模糊，在原马氏体板条束的截面处出现短棒状碳化物，基体中弥散分布着较多碳化物颗粒，呈现典型回火索氏体形貌。

图3 不同回火温度下钢板组织

（2）拉伸性能。对不同回火工艺处理的5块钢板进行拉伸性能检测，结果如表3所示。

表3 不同热处理工艺下的拉伸性能

由表3可知，5种热处理工艺下的钢板拉伸性能都满足使用需求（屈服强度大于等于750MPa）。1#～4#试样拉伸结果说明NT态钢板强度随着回火温度提高逐渐降低，断后延伸率略有提高。5#试样回火温度高于NT态试样，但其拉伸性能与2#试样相当，高于3#和4#试样，这是由于淬火态钢板以马氏体为主，硬度和拉伸强度远高于正火态钢板，需要更高的回火温度去除钢板内应力，平衡钢板性能。NT态钢板在520℃～560℃温度区间回火时其强度缓慢下降，趋于平稳，拉伸性能也与原QT态接近，工艺窗口较大，适合批量化生产。

（3）硬度。不同热处理工艺钢板硬度如图4所示，钢板布氏硬度都是检测3点后的平均值。由图4可得出，5种热处理工艺下的钢板硬度均都满足使用需求（269～321HBW）。NT态钢板硬度比正火态降低37～60HBW，QT态钢板硬比淬火态降低213HBW，下降明显。NT态钢板硬度随着回火温度提高逐渐降低，但在540℃～560℃温度区间趋于稳定，与QT态钢板硬度相近。

图4 不同回火温度下SAE4140钢板硬度

3.3 生产应用

根据本次SAE4140钢板NT与QT热处理对比试验结果，制定了厚度15mm以下SAE4140钢板正火+回火批量生产工艺：850℃正火，540℃～560℃回火。钢板累计生产100多批次，性能合格率100%，而且板型良好，未出现开裂情况。

4 结论

（1）本次正火和淬火SAE4140薄钢板对比发现，正火态钢板组织以贝氏体为主，组织分布均匀，正火态钢板硬度较淬火态钢板低163HBW，内应力相对较小，开裂风险低。

（2）13mm厚正火+回火与淬火+回火SAE4140钢板都是回火索氏体组织。NT态钢板随着回火温度升高带状组织逐渐淡化，碳化物分布更加均匀。QT态钢板微观组织中马氏体板条束已经模糊，在原马氏体板条束的截面处出现短棒状碳化物，基体中弥散分布着较多碳化物颗粒，呈现典型回火索氏体形貌。

（3）正火+回火SAE4140钢板随着回火温度提高强度和硬度逐渐降低，断后延伸率略有提高。在540～560℃温度区间回火的NT态钢板力学性能与原QT态工钢板性能相近。

（4）结合试验结果制定的正火+回火工艺，批量生产100多批次钢板，性能合格率100%，而且未出现开裂现象，说明15mm以下SAE4140钢板可以采用NT工艺代替QT工艺。