42CrMoVNb钢的热处理工艺优化及力学性能

韩贵生, 张学敏, 李海涛, 樊帅奇, 戴姣燕, 徐金富,

(1. 长安大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 710061; 2. 宁波工程学院 材料与化学工程学院, 浙江 宁波 315211)

近年来,高强度螺栓朝着更高等级的方向发展。目前,研发14.9级高强度螺栓已成为研究热点,其技术指标为硬度44～47 HRC、抗拉强度1400～1500 MPa、屈服强度≥1300 MPa、屈强比≥0.9、断后伸长率≥8%、断面收缩率≥44%和-20 ℃低温冲击吸收能量≥27 J[1-2]。由于强度等级提高,12.9级高强度螺栓常用的42CrMo钢已不能满足其性能要求[3]。钢铁研究总院研发的ADF钢在1300 MPa级强度下韧性和耐延迟断裂性能较42CrMo钢相比得到大幅度的提升[4]。王磊等[5]选用自主设计的42CrMoVNb钢-NJ钢用于制作14.9级高强度螺栓,取得了较好的效果。燕友增等[6]研究了淬火和回火温度对42CrMoVNb钢韧性的影响,指出韧性不受弥散强化的影响,而与Mo和V碳化物的共格析出有关,可以通过提高回火温度大幅度提升材料的韧性。本文选用42CrMoVNb钢棒料,通过优化热处理工艺方案,使其力学性能满足14.9级高强度螺栓的技术指标要求,为研发14.9级高强度螺栓提供材料依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用钢为42CrMoVNb钢热轧态棒料,其化学成分如表1所示[8]。硬度试样尺寸为φ20 mm×20 mm;按照GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》及GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》制作标准拉伸试样,尺寸为φ16 mm×200 mm;按照GB/T 3098.1—2010中9.14节和GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试样制备》制作标准夏比V型缺口冲击试样,尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,V型槽深2 mm。

表1 42CrMoVNb钢的化学成分(质量分数,%)[8]

1.2 试验方法

利用MFLC-7/12箱式马弗炉进行单因素淬火+回火试验,并用L9(34)正交试验法优化热处理工艺参数,试验采用到温装炉方式,淬火冷却方式为油冷(OC),淬火介质为DN QUENCH B淬火油,回火冷却方式为空冷(AC)。利用AXIO Observer ZIM光学显微镜观察试样微观组织;利用HR-150A洛氏硬度测试仪检测试样硬度;利用JXYB605C万能拉伸试验机依据GB/T 228.1—2021进行拉伸试验;利用PTM2152-C金属摆锤冲击试验机依据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行-20 ℃低温冲击试验,试验结果均取3次测量的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 单因素试验

保持淬火保温时间18 min、400 ℃×2 h回火不变的前提下,研究淬火温度对硬度的影响,结果见图1。由图1可见,随着淬火温度在820～900 ℃范围内的升高,淬火和回火后的硬度基本保持不变。淬火温度偏低会导致奥氏体化程度不足,材料无法淬硬。淬火温度偏高会导致奥氏体晶粒粗化,淬火后产生的马氏体板条束尺寸随之增大,使材料的硬度和韧性降低[9]。合适的淬火温度可使合金元素的碳化物充分固溶在奥氏体中,得到较好的强韧性匹配。因此,在保证试样充分奥氏体化的前提下,选取820～860 ℃为最优试验淬火温度范围。

图1 淬火温度对42CrMoVNb钢硬度的影响

保持840 ℃×18 min淬火、回火时间2 h不变的前提下,研究回火温度对硬度的影响,结果见图2。由图2可见,随着回火温度在400～460 ℃范围内的升高,材料的硬度随之降低。这是由于在回火过程中,组织中的淬火马氏体发生分解,过饱和的碳化物从基体中析出,淬火马氏体逐渐向回火屈氏体进行转变,随着回火温度的升高,碳元素的活性和扩散速率逐渐增加,马氏体向回火屈氏体的转变更为充分,碳对基体的固溶强化作用逐渐减小,与此同时组织中的位错密度和残余应力也大幅度降低,基体趋于软化,宏观上表现为硬度和强度的降低[10-11]。除460 ℃回火试样外,其余试样硬度均在44～47 HRC范围内。因此,选取400～440 ℃为最优试验回火温度范围。

图2 回火温度对42CrMoVNb钢硬度的影响(840 ℃×18 min油冷)

2.2 热处理工艺优化

根据单因素试验结果,利用L9(34)正交试验对热处理工艺进行优化,其中因素A为淬火温度,取820、840和860 ℃三水平;因素B为淬火保温时间,取15、20和25 min三水平;因素C为回火温度,取400、420和440 ℃三个水平;因素D为回火时间,取100、120和150 min三水平;分别以-20 ℃冲击吸收能量、硬度、抗拉强度和屈服强度作为评价指标。具体试验结果见表2和图3。

表2 42CrMoVNb钢正交试验结果

图3(a1～d1)为淬火回火工艺参数对42CrMoVNb钢-20 ℃低温冲击性能的影响。由图3(a1, c1)可见,-20 ℃ 低温冲击吸收能量随淬火温度和回火温度的增加而增加。淬火温度升高会促进合金元素溶入奥氏体中,从而提高材料的冲击性能;回火温度的升高,会导致马氏体过饱和度下降,碳化物以细小颗粒形式析出,使裂纹在扩展中所需的临界应力提高[12],而且相关研究[13]表明,随着回火温度的升高,马氏体中的亚结构和位错会逐渐减少,并且伴随α铁素体回复的发生,这些演变均会使组织中大角度晶界增加,使晶粒间的位相差变大,阻碍裂纹的扩展,从而提高材料的低温冲击性能。由图3(b1)可见,保温时间对低温冲击性能的影响不大。由图3(d1)可见,随着回火时间的增加,-20 ℃低温冲击吸收能量呈先小幅度降低后升高的趋势,在回火时间达到120 min后,适当延长保温时间可提升材料低温冲击性能。在充分奥氏体化的前提下,保温时间过长反而会导致工件表面氧化、晶粒粗大、能耗高等负面影响。因此,以低温冲击性能为指标时,最优淬火回火工艺为860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

图3(a2～d2)为淬火回火工艺参数对42CrMoVNb钢硬度的影响。由图3(a2, b2)可见,淬火温度和淬火保温时间对硬度的影响不大;由图3(c2)可见,随着回火温度的升高,硬度逐渐下降;由图3(d2)可见,随着回火时间的延长,硬度基本保持不变。因此,以硬度为指标时,最优淬火回火工艺为840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×100 min,空冷。

图3(a3～d3)为淬火回火工艺参数对42CrMoVNb钢强度的影响。由图3(a3)可见,屈服强度和抗拉强度均随着淬火温度的升高呈先增后降的趋势,在840 ℃时达到最高;由图3(b3)可见,淬火保温时间对抗拉强度的影响不大;由图3(c3)可见,随着回火温度的升高,强度逐渐下降;由图3(d3)可见,回火时间对强度的影响不大。因此,以强度为指标时,最优淬火回火工艺为840 ℃×20 min,油冷+400 ℃×150 min,空冷。

图3 淬火回火工艺参数对42CrMoVNb钢力学性能的影响

综上,在3种最优热处理工艺条件下,硬度和强度指标均能满足14.9级高强螺栓的标准要求,而工艺1的-20 ℃低温冲击性能最高。因此,最终选取860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷为最优的热处理工艺。

2.3 最优工艺下的显微组织和力学性能

根据正交试验结果,42CrMoVNb钢经860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的显微组织见图4,力学性能见表3。由图4可见,其组织为回火屈氏体基体上弥散分布着细小的碳化物颗粒;由表3可见,其硬度、强度、屈强比、塑性、-20 ℃低温冲击性能均可达到14.9级高强度螺栓的技术指标要求。

表3 42CrMoVNb钢经860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的力学性能

图4 42CrMoVNb钢经860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷后的显微组织

3 结论

1) 淬火温度和淬火保温时间对42CrMoVNb钢的硬度和强度影响不大;随着回火温度的升高和回火时间的延长,42CrMoVNb钢的硬度逐渐降低;随着回火温度的升高,42CrMoVNb钢的强度逐渐降低;随着淬火温度、回火温度的升高,42CrMoVNb钢的-20 ℃低温冲击性能逐渐提高,回火时间达到120 min后,适当延长回火时间可提升42CrMoVNb钢的-20 ℃低温冲击性能。最优淬火回火工艺为860 ℃×20 min,油冷+440 ℃×150 min,空冷。

2) 42CrMoVNb钢经最优淬火回火工艺处理后的组织为回火屈氏体基体上弥散分布着细小的碳化物颗粒,硬度44.5 HRC,抗拉强度1467 MPa,屈服强度1357 MPa,屈强比0.93,断后伸长率10.5%,断面收缩率46%,-20 ℃低温冲击吸收能量27.1 J,力学性能满足14.9级高强度螺栓的技术指标要求。