42CrMo合金钢的性能特点及应用

42CrMo合金钢的性能特点及应用

42CrMo合金钢是一种超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性好，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力。本文将详细介绍42CrMo合金钢的性能特点、化学成分、力学性能及其应用范围，并深入探讨其热处理工艺和感应加热调质工艺。

42CrMo合金钢的性能特点及应用

42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。该钢适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。

其对应国际标准组织牌号：42CrMo4
对应日本牌号：SCM440
对应德国牌号：42CrMo4 或1.7225
近似对应美国牌号：4140或G41400

42CrMo合金钢的应用范围

淬透性高，强度高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于 2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，以及折弯机的模具等。

42CrMo合金钢的化学成分

• 碳 C :0.38～0.45%
• 硅 Si:0.17～0.37%
• 锰 Mn:0.50～0.80%
• 硫 S :允许残余含量≤0.035%
• 磷 P :允许残余含量≤0.035%
• 铬 Cr:0.90～1.20%
• 镍 Ni:允许残余含量≤0.030%
• 铜 Cu:允许残余含量≤0.030%
• 钼 Mo:0.15～0.25%

42CrMo合金钢的力学性能

• 抗拉强度σb (MPa):≥1080(110)
• 屈服强度 σs (MPa):≥930(95)
• 伸长率 δ5 (%):≥12
• 断面收缩率ψ (%):≥45
• 冲击功 Akv (J):≥63
• 冲击韧性值 αkv (J/cm2):≥78(8)
• 硬度 :≤217HB[1]
• 试样尺寸:试样毛坯尺寸为25mm

42CrMo合金钢的特性点

临界点温度(近似值):Ac1=730°C、Ac3=800°C、Ms=310°C

42CrMo合金钢的热处理

• 退火annealing :760±10℃退火,炉冷至400℃空冷。42CrMo热处理HB220-230
• 正火normalize : 860±10℃正火,出炉空冷。

42CrMo钢锻件热处理工艺

钢锻件,锻后要求进行调质处理。因其截面尺寸相差悬殊,水淬开裂倾向较大,油淬后大截面部位的淬火硬度又偏低,金相组织与力学性能不合格的情况时有发生,直接影响了曲轴疲劳强度及整机使用寿命。具有高强度和高屈服点,综合力学性能比40Cr要好。冷变形塑性和切削性均属中等,过热敏感性小,但有回火脆性倾向及白点敏感性。一般在调质状态下使用采用水溶性淬火介质淬火工艺。为保证淬火液的正常使用,须对淬火液温度进行严格的控制。淬火介质的逆溶点为70℃,最佳使用温度为(30～60)℃。将淬火液温度必须始终控制在工艺要求的范围内。

42CrMo合金钢的调质处理主要事项

• 工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢,工件入水的温度已降到低于Ar3临界点,产生部分分解,工件得到不完全淬火组织,达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度,大工件予冷要掌握时间。
• 工件装炉量要合理,以1~2层为宜,工件相互重叠造成加热不均匀,导致硬度不匀。
• 工件入水排列应保持一定距离,过密使工件近处蒸气膜破裂受阻,造成工件接近面硬度偏低。
• 开炉淬火,不能一口气淬完,应视炉温下降程度,中途闭炉重新升温,以便前后工件淬后硬度一致。
• 要注意冷却液的温度,冷却液不能有油污、泥浆等杂质,不然,会出现硬度不足或不均匀现象。
• 未经加工毛坯调质,硬度不会均匀,如要得到好的调质质量,毛坯应粗车,棒料要锻打。
• 严把质量关,淬火后硬度偏低13个单位,可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低,有的甚至只有HRC2535,必须重新淬火,绝不能只施以中温或低温回火以达到图纸要求完事,不然,失去了调质的意义,并有可能产生严重的后果。

42CrMoS4棒材感应加热调质工艺及性能分析

感应加热是对钢棒进行穿透式加热淬冷,并随之进行感应加热透热高温回火,可在连续作业生产线上完成的调质工艺,已经被越来越多的应用到各行各业。这种工艺方法对各类中碳钢(包括低合金钢)的中小截面尺寸的棒材、管材、轴类零件均适用,具有生产效率高,能耗低,无脱碳氧化,不污染,生产过程极易自动化等特点,特别适于批量生产。为此,我公司引进新型连续式感应加热调质线以满足产品结构调整需求,扩大产品覆盖范围。由于前期没有相关的感应加热调质工艺数据,本文通过对42CrMoS4棒材的调质工艺试验及组织性能分析确定了热轧棒材的感应加热调质工艺。

感应加热调质设备

东北特钢大连基地引进ELOTHERM公司小棒材感应加热调质线,可处理规格Φ20～Φ160mm。整条线共有五组线圈,分别由五个完全独立调节的变频模块进行多区控制。每个区的最后一组都是作为一个保温区,以获得更好的奥氏体化效果。钢材冷却系统采用水冷,由5个淬火水环及一个直线性切断喷头组成。钢材淬火、回火全过程由连续式斜面辊道进行单只连续传输,钢材自旋转式前进,可以保证钢材加热、冷却的均匀性,得到更好的平直度。

试验工艺

本节介绍的试验钢种为东北特钢大连基地生产的42CrMoS4热轧棒材,分别选用Ф32mm、Ф65mm两个规格。生产工艺流程为:连铸坯→加热→轧制→矫直→感应加热调质→检验→探伤→成品。钢材成分见表1。

表1 42CrMoS4化学成分(质量分数) (%)

钢材调质前状态为热轧态,42CrMoS4为亚共析钢,42CrMoS4钢Ac3温度约为780℃,常规热处理选取淬火温度一般为850～860℃。但在感应加热中加热速度非常快,其临界点Ac3随加热速度的增大而升高,而且我们要考虑奥氏体化的充分性,应适当提高加热温度。根据钢材标准的力学性能要求,既要有一定的强度、硬度,又要有良好的塑性及冲击韧度,确定钢材回火温度应为高温回火,希望得到更多的回火索氏体。所以我们试验设定感应加热调质工艺见表2,我们在已调质的钢材上取样检测纵向力学性能,截取位置为距表面12.5mm处,取样两支,检验结果及标准性能指标要求见表3。

表2 42CrMoS4感应加热调质工艺

表3 力学性能指标及检验结果

组织性能分析

从试验结果来看,力学性能符合标准要求,Ф35mm由于规格较小,在淬火过程中全截面都可以达到很快的冷却速度,我们取其调质后半径1/2位置的金相组织(如图1所示),我们可以得到较为均匀的回火索氏体组织,未见贝氏体组织及块状铁素体出现。对于Ф65mm规格我们取样分别观察钢材横截面上不同位置的金相组织,靠近表面位置为比较均匀的回火索氏体(距表面距离≤15mm以内),如图2所示。

随着距表面距离的增加逐渐有贝氏体出现,图3为距表面16mm处组织,回火索氏体+少量贝氏体组织,图4为距表面25mm处组织,回火索氏体+贝氏体+少量铁素体。由于钢材在淬水冷却过程中随着钢材横截面深度的增加,冷却强度逐渐下降,越往心部冷却速度越慢,当小于马氏体转变临界冷却速度就会析出贝氏体。

如图5所示,42CrMo钢奥氏体连续冷却转变曲线可以看出,过冷奥氏体转变同时存在珠光体区和贝氏体区,但贝氏体区超前于珠光体转变区。在设备现有冷却条件下,小直径棒材连续冷却过程中心部不会有先共析铁素体析出,因此图4中的铁素体相是由于加热过程中心部位置加热保温不足造成的,从铁素体分布情况也可以做出明确判断。但总体来说不论从力学性能检测情况及金相组织情况来看,均可以满足性能要求。

图1 1/2R区域(500×)
图2 近表面区域(500×)
图3 距表面16 mm区域(500×)
图4 距表面25mm区域(500×)
图5 42CrMo CCT曲线

结语

• 对于感应加热淬火+回火连续热处理线,由于其加热的物理特性均可以达到很快的加热速度,我们需应采用比传统加热方式更高的淬火及回火温度,当采用不同的加热速度时也应做出相应的调整。
• 对于试验的Φ65mm规格热轧材,从表面到心部逐渐出现贝氏体,少量块状铁素体,是因为冷却强度不够及加热保温不足造成的,但钢材调质性能完全满足标准要求,当材料提出更高的力学性能要求,我们可通过适当提高冷却强度或适当降低钢材通过速度来延长钢材保温时间以获得更好的金相组织及综合力学性能。
• 我们目前制定的感应加热调质工艺完全可以满足产品的力学性能要求。