鄭 挺 史 文,3 張 青 鮑新城 蔣 振 顧曉文

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444； 2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444；3.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444； 4.江蘇南鋼通恒特材科技有限公司，江蘇 南京 210035； 5.上海上大熱處理有限公司，上海 201822)

42CrMo4鋼是制造風(fēng)電緊固件的主要材料，調(diào)質(zhì)處理可顯著提高其綜合力學(xué)性能[1]。目前，風(fēng)電緊固件常用的調(diào)質(zhì)加熱設(shè)備有臺(tái)車爐、網(wǎng)帶爐和感應(yīng)加熱裝置等[2]。網(wǎng)帶爐的生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。但網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線在使用中產(chǎn)品易卡住，爐膛難以清理，排放煙氣，工件的尺寸受限制。感應(yīng)加熱的最大特點(diǎn)是加熱快速，奧氏體晶粒不易長大，有利于提高工件的性能[3-4]。經(jīng)相同工藝淬火的小零件，回火時(shí)快速加熱有利于保持較高的位錯(cuò)密度，延遲過渡碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K碳化物，縮短碳化物的球化時(shí)間，獲得更細(xì)小均勻的碳化物，從而提高材料的強(qiáng)塑性[5-8]。通過控制回火的加熱速度、溫度和保溫時(shí)間可控制碳化物在大角度晶界和小角度晶界的析出，進(jìn)一步提高材料的性能[9-11]。但由于感應(yīng)加熱時(shí)間很短，比較難以控制[12-14]。本文通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了42CrMo4鋼棒材采用中頻感應(yīng)加熱裝置和網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)后的組織和力學(xué)性能，探索以中頻感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)替代傳統(tǒng)設(shè)備調(diào)質(zhì)的可行性。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用42CrMo4鋼棒材的化學(xué)成分如表1所示。棒材直徑28和40 mm，長500 mm。棒材采用感應(yīng)加熱裝置和網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)處理的工藝見表2。

表1 試驗(yàn)用42CrMo4鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the 42CrMo4 steel used for test(mass fraction) %

表2 42CrMo4鋼棒材的調(diào)質(zhì)工藝Table 2 Quenching and tempering processes of the 42CrMo4 steel bars

棒材調(diào)質(zhì)后制備金相試樣，采用MA100型倒置式金相顯微鏡和Nova Nano SEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,scanning electron microscope)進(jìn)行金相檢驗(yàn)。根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，采用體積分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸和酒精混合液顯示試樣的晶界，用三圓截點(diǎn)法評定晶粒度。采用HBRVU-187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)和MH-3L型顯微硬度計(jì)測量硬度。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，尺寸如圖1所示，采用CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸10 mm×10 mm×50 mm，V形缺口，采用HITACHI SU-1500型鎢燈絲掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)試樣的斷口形貌。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of the tensile specimen

采用UG軟件獲得棒材和線圈的三維模型，用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Deform軟件模擬42CrMo4鋼棒材的感應(yīng)加熱淬火過程。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 表面質(zhì)量

經(jīng)感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)和網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)的棒材的表面狀態(tài)如圖2所示。對比可見，感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)的棒材表面光潔，而網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)的棒材表面有很明顯的氧化層，這在一定程度上降低了材料的利用率。

圖2 感應(yīng)加熱(a)和網(wǎng)帶爐加熱(b)調(diào)質(zhì)處理的42CrMo4鋼棒材的表面形貌Fig.2 Macroscopic appearances of the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering by induction (a) and mesh belt furnace (b) heating

圖3為棒材截面的微觀形貌。當(dāng)連續(xù)3點(diǎn)的硬度值相近時(shí)，表明從這3個(gè)硬度測定點(diǎn)的第1點(diǎn)起，對應(yīng)的組織為未脫碳的調(diào)質(zhì)組織，從表面至該部位的距離為脫碳層?？梢钥闯觯袘?yīng)加熱調(diào)質(zhì)的φ28 mm 棒材幾乎沒有脫碳，而網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)的φ28 mm棒材脫碳層厚度約247 μm。經(jīng)兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)的φ40 mm 棒材均有脫碳層，但感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)的棒材脫碳層較薄，約為137 μm，而網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)的棒材的脫碳層較厚，約為311 μm。

圖3 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,c)和網(wǎng)帶爐加熱(b,d)調(diào)質(zhì)的直徑28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4鋼棒材截面的微觀形貌Fig.3 Micrographs of section of the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

由于感應(yīng)加熱的速度快、時(shí)間短，棒材的氧化脫碳輕微。為避免棒材氧化脫碳，網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)線配備了氣氛保護(hù)系統(tǒng)，但提高了生產(chǎn)成本。

2.2 顯微組織

圖4、圖5為調(diào)質(zhì)后兩種直徑棒材不同部位的顯微組織，棒材邊緣的組織為回火索氏體和極少量的鐵素體，1/4直徑處和中心有一些白色組織。

圖4 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,b,c)和網(wǎng)帶爐加熱(d,e,f)調(diào)質(zhì)的φ28 mm 42CrMo4鋼棒材邊緣(a,d)、1/4直徑處(b,e)和中心(c,f)的顯微組織Fig.4 Microstructures at edge(a,d), 1/4 diameter below surface (b,e) and in center(c,f) for the 42CrMo4 steel bars 28 mm in diameter after quenching and tempering by induction (a,b,c) and mesh belt furnace (d,e,f) heating

圖5 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,b,c)和網(wǎng)帶爐加熱(d,e,f)調(diào)質(zhì)的φ40 mm 42CrMo4鋼棒材邊緣(a,d)、1/4直徑處(b,e)和中心(c,f)的顯微組織Fig.5 Microstructures at edge(a,d), 1/4 diameter below surface(b,e) and in center(c,f) for the 42CrMo4 steel bars 40 mm in diameter after quenching and tempering by induction(a,b,c) and mesh belt furnace (d,e,f) heating

采用兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)的棒材不同區(qū)域的硬度列于表3。表3中序號(hào)1、2、3為正常組織的硬度，序號(hào)4、5、6為白色組織的硬度，白色組織的硬度明顯高于正?；鼗鹚魇象w的硬度。

表3 42CrMo4鋼棒材調(diào)質(zhì)處理后不同區(qū)域的硬度Table 3 Hardness of different areas in the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering HV0.05

圖6為棒材的掃描電鏡照片，圖中位置1～3對應(yīng)白色組織，4～6對應(yīng)白色區(qū)域附近的組織。由表4可知，位置1～3的合金元素含量高于正常值，而4～6的合金元素含量低于正常值。這說明白色組織中有合金元素偏聚，導(dǎo)致其未充分回火。

表4 42CrMo4鋼棒材調(diào)質(zhì)處理后的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Energy spectrum analysis results of the 42CrMo4 steel bars after quenching and tempering (mass fraction) %

圖6 42CrMo4鋼棒材調(diào)質(zhì)處理后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM micrograph of the 42CrMo4 steel bar after quenching and tempering

2.3 碳化物

用掃描電鏡檢測了經(jīng)兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)后棒材的碳化物，如圖7所示。組織中大部分碳化物已球化，部分彌散分布于基體中。

圖7 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,c)和網(wǎng)帶爐加熱(b,d)調(diào)質(zhì)的直徑28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4鋼棒材中碳化物的SEM形貌Fig.7 SEM views of carbides in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

測定了碳化物的尺寸，并統(tǒng)計(jì)了不同尺寸碳化的個(gè)數(shù)，結(jié)果見圖8。經(jīng)兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)的棒材中碳化物的尺寸大多為40～80 nm。

圖8 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,c)和網(wǎng)帶爐加熱(b,d)調(diào)質(zhì)的直徑28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4鋼棒材中碳化物的尺寸分布Fig.8 Size distributions of carbides in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction(a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.4 晶粒度

圖9為經(jīng)感應(yīng)加熱和網(wǎng)帶爐加熱調(diào)質(zhì)后棒材的晶粒大小。經(jīng)感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)的φ28 mm 棒材的晶粒度為10.6級(jí)，而經(jīng)網(wǎng)帶爐加熱調(diào)質(zhì)的φ28 mm 棒材的晶粒度為10.4級(jí)；感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)的φ40 mm棒材的晶粒度為10.8級(jí)，而網(wǎng)帶爐加熱調(diào)質(zhì)的φ40 mm棒材為10.3級(jí)。

圖9 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,c)和網(wǎng)帶爐加熱(b,d)調(diào)質(zhì)的直徑28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4鋼棒材的晶粒大小Fig.9 Size of grains in the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameters after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.5 硬度

圖10為調(diào)質(zhì)后棒材的硬度。中頻感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)的φ28 mm 棒材的硬度為35～37 HRC，略低于網(wǎng)帶爐調(diào)質(zhì)的硬度；采用兩種設(shè)備加熱調(diào)質(zhì)的φ40 mm棒材的硬度均為36～38 HRC。

圖10 調(diào)質(zhì)后直徑28(a)和40 mm(b) 42CrMo4鋼棒材表面至中心的硬度分布Fig.10 Hardness distributions from surface to center in the 42CrMo4 steel bars 28 (a) and 40 mm (b) in diameter after quenching and tempering

2.6 拉伸性能

兩種直徑的42CrMo4棒材采用兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)處理后的拉伸性能列于表5、表6，其強(qiáng)度與塑性之間的對應(yīng)關(guān)系符合常規(guī)。

表5 φ28 mm棒材調(diào)質(zhì)后的拉伸性能Table 5 Tensile properties of the 28-mm-diam bar after quenching and tempering

表6 φ40 mm棒材調(diào)質(zhì)后的拉伸性能Table 6 Tensile properties of the 40-mm-diam bar after quenching and tempering

2.7 沖擊性能

調(diào)質(zhì)處理后棒材的-40 ℃沖擊性能見表7和表8。

表7 φ28 mm棒材調(diào)質(zhì)后的-40 ℃沖擊吸收能量Table 7 Impact absorption energy at -40 ℃ of the 28-mm-diam bar after quenching and tempering J

表8 φ40 mm棒材調(diào)質(zhì)后的-40 ℃沖擊吸收能量Table 8 Impact absorption energy at -40 ℃ of the 40-mm-diam bar after quenching and tempering J

沖擊試樣斷口形貌如圖11所示。采用兩種設(shè)備加熱調(diào)質(zhì)的棒材沖擊試樣的斷口形貌相似，均有大量的韌窩，為韌性斷裂，說明棒材的低溫沖擊韌性都較好。

圖11 經(jīng)感應(yīng)加熱(a,c)和網(wǎng)帶爐加熱(b,d)調(diào)質(zhì)的直徑28(a,b)和40 mm(c,d)42CrMo4鋼棒材沖擊試樣的斷口形貌Fig.11 Fracture patterns of impact samples cut from the 42CrMo4 steel bars 28(a,b) and 40 mm(c,d) in diameter after quenching and tempering by induction (a,c) and mesh belt furnace (b,d) heating

2.8 感應(yīng)淬火加熱過程的數(shù)值模擬

利用Deform軟件模擬了42CrMo4鋼棒材的中頻感應(yīng)淬火加熱過程,如圖12所示。在感應(yīng)淬火加熱初期，棒材的加熱速率在20 ℃/s以上，棒材內(nèi)溫差大于100 ℃；將棒材加熱至奧氏體化溫度以上時(shí)，加熱速率降至約2 ℃/s，棒材內(nèi)溫差小于10 ℃，加熱較均勻，接近網(wǎng)帶爐的加熱速率，因此用兩種設(shè)備調(diào)質(zhì)處理的棒材晶粒度相近[15]。

圖12 模擬的直徑28(a)和40 mm(b) 42CrMo4鋼棒材中頻感應(yīng)加熱奧氏體化的加熱速率Fig.12 Simulated rates of medium-frequency induction heating for austenitizing for the 42CrMo4 steel bars 28(a) and 40 mm (b) in diameter

3 結(jié)論

(1)經(jīng)感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)和網(wǎng)帶爐加熱調(diào)質(zhì)的42CrMo4鋼棒材的硬度、晶粒度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊韌性均相近。

(2)通過數(shù)值模擬得出的42CrMo4鋼棒材感應(yīng)淬火加熱的速率起初為20 ℃/s以上，當(dāng)棒材達(dá)到奧氏體化溫度以上時(shí)，降低至2 ℃/s左右。