調(diào)質(zhì)處理工藝對(duì)ZG40CrNiMo鋼組織和性能的影響

王踴海,張偉強(qiáng)

(1.中航工業(yè)煙臺(tái)航空液壓控制有限責(zé)任公司,山東 煙臺(tái) 265500;2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

高強(qiáng)度鑄鋼在重型工程機(jī)械中發(fā)揮重要的作用,通常用于制造大型、復(fù)雜的承載或傳動(dòng)零部件。某大型運(yùn)輸機(jī)械中的鏈輪一般采用20CrMnTi鋼經(jīng)過(guò)鍛造及滲碳后淬火+回火的熱處理工藝,其生產(chǎn)周期長(zhǎng),制造成本較高,如果采用鑄造鏈輪,則可以極大縮短鏈輪的生產(chǎn)周期;但除了表面耐磨性之外,鏈輪材料的整體強(qiáng)韌性應(yīng)該滿足鏈輪服役要求,而鑄造材料和熱處理工藝的選擇是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。根據(jù)鏈輪服役狀態(tài),擬采用鑄造高強(qiáng)度中碳合金鋼取代鍛造低碳低合金鋼,并以輪齒部位中頻感應(yīng)淬火代替整體滲碳淬火處理。

高強(qiáng)度鑄鋼中一般含有Cr、Mo、Ni等合金元素,近些年在部分鑄鋼中添加Ti、V、B或RE等元素,在細(xì)化晶粒方面起到很好的作用,使其經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗缶哂休^高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑韌性[1-2]。國(guó)內(nèi)大型機(jī)械零件中很少采用中碳高強(qiáng)度鑄鋼,這是由于存在著鑄造組織粗大、疏松、夾雜等缺陷,或其含碳量相對(duì)較高,造成塑性和韌性不足等問(wèn)題,因此,人們通常通過(guò)降低含碳量或者獲得貝氏體鋼等途徑來(lái)提高材料的綜合力學(xué)性能[3-8]。德國(guó)GS-40NiCrMo656鑄鋼均屬于這類高強(qiáng)度鋼,可用于制造煤礦機(jī)械大型重載零部件。本文參照德系鑄鋼GS-40NiCrMo656熔煉ZG40CrNiMo鋼,為使該材料發(fā)揮最大的性能,需對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究,以獲得優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù),為生產(chǎn)實(shí)際提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

將試驗(yàn)用鋼在中頻爐中熔化后,在砂型中鑄造成試樣尺寸,如圖1所示。ZG40NiCrMo鑄鋼的主要化學(xué)成分如表1所示,其臨界轉(zhuǎn)變溫度[9]Ac1=732℃;Ac3=774℃。 將鑄錠退火后分別加工成Φ5mm25 mm的拉伸試樣及10mm10mm55 mm的V型缺口夏比沖擊試樣。

表1 ZG40NiCrMo鋼化學(xué)成分 wt%

圖1 ZG40NiCrMo鋼錠尺寸圖(單位:mm)

將試驗(yàn)用鋼分別經(jīng)過(guò)840℃、860℃和880℃加熱,保溫30min后油淬,再分別經(jīng)過(guò)600℃、630℃和650℃回火90min,空冷。

利用HB3000-B布氏硬度計(jì)檢測(cè)樣品的布氏硬度;分別利用INSTRON5582微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)和JB-30A沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼的拉伸性能和沖擊韌性;利用200MAT金相顯微鏡觀察金相組織,腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液,在日立S-34000N掃描電子顯微鏡上觀察斷口微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2和圖3分別是ZG40NiCrMo鋼經(jīng)860℃和880℃加熱淬火并經(jīng)600℃、630℃和650℃回火后的光學(xué)金相照片。經(jīng)過(guò)上述不同溫度加熱淬火及高溫回火后,鑄鋼的顯微組織均為回火索氏體組織,由鐵素體基體上分布有形狀不規(guī)則的大小碳化物組成,具有良好的韌塑性和強(qiáng)度。對(duì)比不同溫度淬火后的組織可以看出,經(jīng)過(guò)880℃淬火的顯微組織較860℃略顯粗大。在860℃淬火的組織中,經(jīng)過(guò)630℃回火組織較為細(xì)小均勻,這與該溫度下馬氏體分解為細(xì)小均勻的碳化物有關(guān);880℃淬火組織經(jīng)過(guò)回火后,隨著回火溫度升高,淬火馬氏體的片狀形態(tài)逐漸消失,這是由于碳化物的數(shù)量逐漸增多,碳化物尺寸逐漸增大造成的。

圖3 ZG40NiCrMo鋼880℃淬火+不同溫度回火后金相組織

2.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)用鋼分別經(jīng)過(guò)不同溫度熱處理后,其硬度、拉伸性能與沖擊韌性分別如圖4和表2所示。從圖4可以看出,隨著回火溫度的提高,材料的硬度逐漸降低;而經(jīng)過(guò)較低的840℃淬火后,鋼的硬度較高;經(jīng)過(guò)860℃和880℃加熱淬火并經(jīng)過(guò)600℃回火后的硬度相差不大。但經(jīng)過(guò)較高溫度(650℃)回火后,三種溫度淬火的試件硬度已經(jīng)較為接近。采用較低的淬火溫度有助于細(xì)化奧氏體晶粒尺寸,增加奧氏體成分的不均勻性,提高淬火鋼的硬度水平。

從表2中可以看出,在相同回火溫度下,隨著淬火加熱溫度升高,鑄鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性分別有升有降,未觀察到有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

ZG40NiCrMo鋼經(jīng)過(guò)不同溫度淬火、回火后的拉伸和沖擊性能變化較大。在同一淬火溫度下,回火溫度越高,其強(qiáng)度指標(biāo)降低,而塑性和沖擊韌性有所提高。經(jīng)過(guò)840℃加熱淬火后,ZG40NiCrMo鋼回火溫度從600℃提高到630℃,其強(qiáng)度較高且下降不多,但沖擊韌性則有明顯提高。經(jīng)過(guò)860℃淬火的試件,630℃和650℃回火后,其強(qiáng)度較600℃回火下降明顯,塑性和韌性指標(biāo)顯著提高。經(jīng)過(guò)880℃淬火及600℃回火的試件,其強(qiáng)度指標(biāo)高達(dá)1300MPa以上。這是由于較高溫度的奧氏體化可以促進(jìn)碳化物的溶解,提高淬火后的馬氏體硬度,Mo等元素的固溶促進(jìn)了回火穩(wěn)定性提高。但提高回火溫度至630℃和650℃之后,其強(qiáng)度指標(biāo)迅速降低,沖擊韌性提高顯著。

適當(dāng)提高淬火加熱溫度可導(dǎo)致合金元素更多地溶入奧氏體,提高鋼的淬透性,在回火過(guò)程中容易析出細(xì)小均勻的碳化物,這些因素均有助于鋼的硬度和強(qiáng)度的提高,回火穩(wěn)定性增加;但奧氏體晶粒的粗化也會(huì)引起鋼的強(qiáng)韌性下降。所以,在相同溫度回火后,淬火加熱溫度對(duì)強(qiáng)韌性的影響規(guī)律較為復(fù)雜,且淬火溫度不宜過(guò)高。

圖4 ZG40NiCrMo不同淬火和回火溫度下的硬度

表2 ZG40NiCrMo不同淬火和回火溫度下的拉伸與沖擊性能

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要,鑄鋼熱處理后的性能達(dá)到布氏硬度 ≥250,σb≥1000MPa,αk≥28J·m-2,只有這樣才能在中頻淬火后,零件的整體仍能保持較好的強(qiáng)韌性。為此,調(diào)質(zhì)處理工藝采取860℃油冷淬火+630℃回火為宜。

2.3 斷口分析

利用掃描電子顯微鏡觀察沖擊試件的斷口(如圖5所示)發(fā)現(xiàn),鑄鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的沖擊斷口基本呈現(xiàn)脆性特征。低倍下觀察以石狀沿晶斷口為主(圖5a和5b),也伴有穿晶斷裂。這是因?yàn)殍T造過(guò)程中保留了較多的低熔點(diǎn)夾雜物,凝固后富集在晶界上,成為裂紋擴(kuò)展的通道。在提高回火溫度后斷口的照片中(圖5c和5d)顯示,斷口中存在著小而淺的微坑,且伴有解理平面(箭頭指處)。

圖5 沖擊試樣的斷口形貌

綜上所述,ZG40NiCrMo鋼作為高強(qiáng)度鋼之一,經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后,仍然能夠保持較高的強(qiáng)度,其塑性韌性也得以提升,適合作為大型礦用機(jī)械零件使用。

3 結(jié)論

(1)隨著回火溫度的提高,ZG40CrNiMo鋼的強(qiáng)度和硬度降低,而塑性和韌性提高;提高淬火加熱溫度對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律較為復(fù)雜;熱處理工藝為860℃淬火+630℃回火可獲得較好的綜合力學(xué)性能。

(2)ZG40CrNiMo鋼的斷口形貌呈現(xiàn)脆性斷裂特征。