化學成分對中碳合金鋼力學性能的影響

韓柏林，鄒 鵬，何 興

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

中碳合金鋼廣泛應用于大型機械的零部件及結構件，如泵軸、壓氣機軸、曲軸、連桿等。因中碳合金鋼中含有Cr、Mo、Ni等元素，其淬透性較好，加工時一般需進行退火以降低硬度，常規(guī)熱處理主要為調質處理，使材料獲得一定的綜合力學性能，尤其是高強度[1]。但隨著零件尺寸的增大，調質后強度會大幅度的下降。本文通過測試42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼調質處理后的力學性能，并用合金鋼淬透性系數表來計算材料的理想臨界直徑，對未來機組不同尺寸零件的選擇，尤其是力學性能的要求，起到了一定的技術支持。

1 試驗材料及方法

中碳合金鋼的熱處理一般采用正火+調質處理，即正火、淬火、高溫回火。該類鋼通過淬火獲得馬氏體組織，隨后通過高溫回火得到回火索氏體組織，進而獲得良好的強韌性。本文選用三種不同化學成分的試驗鍛件，分別為42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼，均為電爐冶煉和電渣重熔后鍛造而成，鍛造比為4.5，始鍛溫度為1150～1180 ℃，終鍛溫度為850～900 ℃。42CrMo鍛件分別加工成規(guī)格為φ80 mm×160 mm、φ150 mm×300 mm和φ300 mm×600 mm的試樣各1件，40CrNi2Mo鍛件分別加工成規(guī)格為φ150 mm×300 mm、φ250 mm×500 mm和φ600 mm×1000 mm的試樣各1件，30Cr2Ni2Mo鍛件分別加工成規(guī)格為φ200 mm×400 mm、φ400 mm×800 mm和φ700 mm×1400 mm的試樣各1件。三種合金鋼的化學成分如表1所示，根據試驗材料的化學成分，采用熱膨脹法測量得到三種材料的臨界溫度，其中42CrMo鋼的Ac1約710 ℃，Ac3約780 ℃；40CrNi2Mo鋼的Ac1約720 ℃，Ac3約780 ℃；30Cr2Ni2Mo鋼的Ac1約730 ℃，Ac3約790 ℃[2]。

三種合金鋼常用熱處理工藝見圖1。正火和淬火按每40 mm有效厚度保溫1 h，回火按每25 mm有效厚度保溫1 h。

表1 試樣的實測化學成分Table 1 Measured chemical compositions of samples

熱處理后用線切割機切取縱向力學性能試樣，在鍛件表面截取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣。拉伸試樣為5倍標距，加工成標距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣，采用RAS250萬能試驗機上按標準GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》要求進行拉伸試驗；按標準GB/T 231《金屬布氏硬度試驗方法》要求進行布氏硬度檢驗；按標準GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》要求進行沖擊試驗，試樣為夏比U型缺口，缺口深度為2 mm，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每組沖擊試驗為2件試樣，試驗溫度為常溫。

(a)42CrMo鋼；(b)40CrNi2Mo鋼；(c)30Cr2Ni2Mo鋼圖1 試驗材料的常用熱處理工藝(a)42CrMo steel；(b)40CrNi2Mo steel；(c)30Cr2Ni2Mo steelFig.1 Common heat treatment process of test materials

試樣力學性能數據如表2所示。從表2中可以看出，隨著試樣直徑的增大，材料強度明顯下降[3]，但塑性和韌性有一定的提高。

表2 調質后試樣的力學性能Table 2 The mechanical properties of samples after quenching and tempering

2 理想臨界直徑的估算

對于合金鋼來說，添加不同含量的合金元素會對材料的淬透性起到較大的作用。合金結構鋼手冊中合金鋼淬透性系數表，如表3所示。

不同化學成分合金鋼調質處理后理想臨界直徑D0(mm)為：

表3 合金鋼淬透性系數Table 3 Coefficients of hardenability of alloy steel

D0=DC×Fsi×FMn×FCr×FNi×FMo

(1)

對于調質處理后合金鋼晶粒度等級的確定[4]，將三種材料最小規(guī)格的試樣，調質處理后加工金相顯微試樣，依次進行粗磨、細磨、拋光、侵蝕，侵蝕液采用3%～5%硝酸酒精，采用META VAL型倒立式顯微鏡觀察金相顯微組織，如圖2所示。

由圖2可知，三種材料的晶粒度均為5級[5]。代入式(1)可分別計算出，42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的淬火理想臨界直徑D0分別為φ100、φ180和φ360 mm。

3 結論

1)在相同熱處理工藝參數下，隨著試樣尺寸的增大，42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的力學性能均呈下降趨勢；

(a)42CrMo；(b)40CrNi2Mo；(c)30Cr2Ni2Mo圖2 中碳合金鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of medium carbon alloy steel

2)42CrMo、40CrNi2Mo和30Cr2Ni2Mo鋼的淬火理想臨界直徑分別為φ100、φ180和φ360 mm；

3)對于材料熱處理后力學性能的要求，應該考慮零件實際尺寸小于該材料的理想臨界直徑。