馬東良　劉佳佳　馬東輝

(1.中建安裝工程有限公司一公司，山東250014；2. 山東建澤混凝土有限公司，山東250101；3. 中國(guó)建筑五局山東公司，山東250000)

工藝

微合金化元素對(duì)42CrMo鋼組織與性能的影響

馬東良1劉佳佳2馬東輝3

(1.中建安裝工程有限公司一公司，山東250014；2. 山東建澤混凝土有限公司，山東250101；3. 中國(guó)建筑五局山東公司，山東250000)

摘要：在42CrMo鋼中添加少量的微合金元素Ti和B后，對(duì)試樣的組織和性能進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，加入的Ti起到了細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，力學(xué)性能隨著Ti含量的增加而逐漸提高。

關(guān)鍵詞：42CrMo鋼；微合金化；細(xì)晶強(qiáng)化；沉淀強(qiáng)化

微合金鋼是添加了微量合金元素從而使鋼的一種或多種性能發(fā)生明顯有利變化的合金鋼[1]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，絕大多數(shù)鋼都有微合金化的趨勢(shì)，微合金鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

42CrMo鋼具有強(qiáng)度高，淬透性好，韌性好，熱變形小，低溫沖擊韌性好，蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗沖擊性能，已廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承、鉆頭、模具等行業(yè)。用微合金化技術(shù)提高性能與適用性，是42CrMo鋼的發(fā)展方向之一。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用某鋼廠生產(chǎn)的42CrMo鋼坯，切取四組試塊進(jìn)行重新熔煉，熔煉過(guò)程中加入微量B和不同含量的Ti，熱處理采用相同的工藝，見(jiàn)圖1、圖2。分別制取試樣，使用光譜儀檢測(cè)化學(xué)成分，使用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，使用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能，使用洛氏硬度計(jì)測(cè)量硬度，使用掃描電鏡進(jìn)行斷口分析。

圖1　42CrMo鋼淬火工藝曲線

圖2　42CrMo鋼回火工藝曲線

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1化學(xué)成分

分別檢測(cè)試樣的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，試樣的C、Si、Mn、Cr、Mo、B等元素含量基本一致，Ti含量根據(jù)設(shè)計(jì)含量而不同。

表1　試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2顯微組織

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，試樣經(jīng)熱處理后組織均為回火馬氏體，如圖3所示。但隨著Ti含量的增加，組織逐漸細(xì)化。

2.3力學(xué)性能

在室溫下分別測(cè)定試樣的力學(xué)性能，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯S著Ti含量的增加，除硬度外各項(xiàng)性能均有明顯提高。加入Ti后，試樣硬度有所增加，但并未隨著含Ti量增加而明顯提高，這是因?yàn)榧尤隩i后，試樣晶粒細(xì)化、硬度略有增加，但是硬度主要和C含量有關(guān)，故其硬度并未隨著Ti含量增加而明顯變大。

表2　試樣力學(xué)性能

2.4斷口分析

用掃描電鏡觀察試樣的斷口形貌，結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，斷口上有彎曲而短的河流花樣，周?chē)兴毫牙?，該斷裂方式介于解理斷裂和韌性斷裂之間。從圖中還可以看出，晶粒呈逐漸變小趨勢(shì)，可知其力學(xué)性能得到改善，這與顯微組織和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果一致。

3鈦的微合金化機(jī)制

42CrMo鋼中加入Ti有兩個(gè)作用：細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。兩種作用都是由Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物的析出引起的。

圖3　試樣熱處理后的顯微組織

圖4　42CrMo鋼斷口形貌

根據(jù)鋼中Ti的化合物生成的自由能和固溶度不同，析出的先后順序依次為T(mén)iN→Ti4C2S2→TiC[2]。鋼中Ti含量較低時(shí)，幾乎全部形成TiN粒子。TiN具有很好的高溫穩(wěn)定性，在合金凝固前就已經(jīng)形成，能夠有效阻止奧氏體晶粒粗化，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。若Ti/N配比超出理想化學(xué)配比3.4時(shí)，則形成Ti4C2S2。Ti4C2S2能夠奪取FeS、MnS中的硫，這樣鋼中的長(zhǎng)條狀硫化夾雜物因Ti4C2S2的形成而逐漸被消除，變成了可改善材料韌性和成形性的球狀?yuàn)A雜物，減少鋼的熱脆性。當(dāng)Ti量超過(guò)(3.4%N+3%S)時(shí)，Ti析出細(xì)小的Ti(C,N)[3]和TiC質(zhì)點(diǎn)，起到沉淀強(qiáng)化作用。鋼中有效Ti含量取決于S、N的含量，S、N含量越低，有效Ti的含量越高。

當(dāng)鋼中Ti≥(3.4%N+3%S)時(shí)，TiC粒子的析出強(qiáng)化作用才體現(xiàn)出來(lái)。鋼液凝固過(guò)程中，部分TiC從高溫奧氏體中析出，其尺寸約為10 nm～30 nm，具有很高的穩(wěn)定性，能夠作為質(zhì)點(diǎn)釘扎在晶界處，阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大[4]，并在奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)成為有效晶核，能夠細(xì)化鋼的晶粒，減少粗大柱狀晶和枝狀晶的形成，可減少偏析，降低帶狀組織級(jí)別?；鼗疬^(guò)程中析出的TiC尺寸只有幾納米，有強(qiáng)烈的彌散強(qiáng)化[3]和沉淀強(qiáng)化[5]作用，能顯著提高鋼的強(qiáng)度。

由于Ti的性質(zhì)活潑，易與鋼中的O、S等雜質(zhì)元素結(jié)合形成較大的化合物，會(huì)導(dǎo)致鋼材性能產(chǎn)生波動(dòng)。TiC的析出對(duì)溫度和冷速較為敏感，容易造成不同批次鋼材或同一批次鋼材不同部位力學(xué)性能的波動(dòng)。故Ti一般和其它微合金元素復(fù)合應(yīng)用。本試驗(yàn)用42CrMo鋼中含有微量B，能夠提高鋼的淬透性，同時(shí)能夠起到固溶強(qiáng)化作用，與Ti共同作用可以大大提高鋼材的綜合性能。

4結(jié)論

(1)42CrMo鋼中加入微量微合金化元素Ti

和B，經(jīng)淬火和低溫回火后，組織更細(xì)小，力學(xué)性能有顯著提高；

(2)42CrMo鋼中，力學(xué)性能隨著含Ti量的增加而逐漸提高；

(3)42CrMo鋼中的Ti起到了細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，使得試樣的塑韌性得到了提高，綜合性能得到了改善。

參考文獻(xiàn)

[1]齊俊杰，黃運(yùn)華，張躍. 微合金化鋼[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2]李軻新，余琨. 薄板坯連鑄連軋流程Ti微合金鋼含Ti析出物的研究[J]. 冶金叢刊，2009，182(4)：8-10.

[3]許峰云，白秉哲，方鴻生. 低合金高強(qiáng)度鋼鈦微合金化進(jìn)展[J]. 金屬熱處理，2007，32(12)：29-34.

[4]S. C. Wang. The effect of titanium and reheating temperature on the microstructure and strength of plain-carbon, vanadium-and niobium-micro-alloyed steels[J]. Journal of Materials Science,1990, 25:187-193.

[5]韓孝永. 鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用[J]. 寬厚板，2006，12(1)：40.

編輯李韋螢

Influence of Microalloying Elements on Microstructure and Mechanical Properties of 42CrMo Steel

Ma Dongliang, Liu Jiajia, Ma Donghui

Abstract：A small amount of microalloy elements Ti and B have been added in 42CrMo steel and then the tests have been performed for the structure and properties of specimens. The result shows that the added Ti has played the role of fine grain strengthening and precipitation strengthening, and the mechanical properties have increased with the increasing of Ti content.

Key words：42CrMo steel; microalloying; fine grain strengthening; precipitation strengthening

收稿日期：2016—02—26

作者簡(jiǎn)介：馬東良(1984—)，男，漢族，山東省濟(jì)南市人，碩士學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)與管理工作。電話：18668990051，E-mail：mdl19841984@163.com

中圖分類號(hào)：TF125.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B