研究回火温度对钢硬度的影响（钢中带状组织对低温冲击性能的影响）

文/王玉佩，郭敏·陕西宏远航空锻造有限责任公司

42CrMo 属于中碳低合金结构钢，经调质处理后具有较高的疲劳极限、良好的低温冲击韧性，多用于制造断面尺寸较大的重要零件，如汽车部件、高铁支座、连杆、齿轮转动件等部件，高铁转动件受使用环境的影响，对材料的低温冲击性能提出高的要求。资料显示，钢锭中元素偏析在锻造过程中拉长，沿轧制方向形成纤维组织。在随后淬火冷却过程中，由于纤维组织与基体之间成分差异，导致组织出现差异。特别是冷速相对表面较慢的心部区域，先共析铁素体会沿纤维组织与基体之间的界面大量形核长大，形成沿轧制方向分布的明显的带状组织，带状组织对高倍组织、冲击性能影响较大。

本文通过后续改锻和在调质处理前增加正火并采用不同的热处理制度对比分析，观察钢锭中的带状组织对后续锻件的组织和低温冲击韧性的影响及改善。

锻件的材料为42CrMo，此模锻件为全曲面分模，锻件重量99kg，锻件外形类似于马鞍，锻件的轮廓尺寸为400mm×380mm×350mm，此模锻件要求组织均匀，晶粒细小，综合性能指标优异，特别是要求低温(-40℃)的冷冲击值(≥27J),用上述锻件进行本次试验，此模锻件按照：棒料→荒型→预成形→模锻的大致工艺方案锻造成形1 件锻件，锻件标识为M1，另外4 件锻件在原工艺流程荒型前增加改锻工序，其余按原生产工艺进行锻造。

1 件锻件热处理制度为：800～900℃，PAG；600～660℃，水冷；3 件锻件按照增加三种不同的正火制度(850℃，870℃，890℃) 800～900℃，PAG；600～660℃，水冷的热处理方案进行组织和性能的分析，锻件分别标识为M2,M3,M4；另外1 件锻件按照800～900℃，水淬；600～660℃，水冷的热处理方案进行组织和性能的分析,锻件标识为M5。将调质后的锻件在CDG-10000A 荧光磁粉探伤机上进行检测，遵循EN 10228-1-2016 标准；锻件的室温拉伸性能在AG-IC-100kN 电子万能拉伸试验机上进行测试，遵循IS0 6892-1-2016 标准，得到抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)和延伸率(A)，在P300 摆锤冲击试验机上进行，按照IS0 148-1-2010进行低温冲击试验，硬度测试在KB3000B-VIDEO 布氏硬度机上进行，遵循IS0 6506-1-2014 标准。高倍试样采用Axio Observer A1m 倒置式金相显微镜进行显微组织观察。

M1 锻件得出的理化性能和金相组织分别见表1和图1。

图1 M1 锻件的高倍照片

表1 M1 锻件的理化性能数据

从图1 可以看出，组织成分不均匀，铁素体聚集成块状。结合表1 理化性能数据，冲击值不合格，平均值21 比标准值27 差了22%左右，铁素体在晶界处聚集长大，使得晶粒度增大，裂纹扩展阻力减小，冲击功降低。

搜集原材料相关资料，原材料的化学成分和力学性能见表2 和表3。

表2 原材料的化学成分(质量分数 %)

表3 原材料调质后的力学性能(棒料)

由图2 高倍组织可以看出铁素体—珠光体相间分布的带状组织，且有一定的方向性。

图2 原材料退火态的高倍照片(100×)

选用相同炉号，相同规格42CrMo 的棒料进行改锻，这里选用最佳方案：两镦两拔。从荒型上取样看高倍组织，如图3 所示。

图3 M2 ～M5 锻件荒型的高倍组织照片(50×)

从图3 可以看出，带状组织被揉碎，能够看到一些断断续续的晶界。

在改锻的荒坯上取4 块相同的试块，按表4 中不同的热处理制度进行热处理，高倍组织如图4 所示，性能数据见表5。

表4 不同的热处理制度

表5 M2 ～M5 锻件通过不同热处理制度的性能数据

调整淬火的冷却方式对锻件冲击值影响明显，从图4 中可以看出有块状、网状2 种不同形貌的铁素体组织，红色圈内为块状铁素体。原材料组织中有明显的条带组织，经过调质后的组织有大量的块状的铁素体；原材料经过镦拔改锻后，带状组织被揉碎，经过调质处理前增加正火，从图4 中(a)、(b)、(c)可以看出组织晶粒得以细化，但还是有一些块状铁素体，结合表5 冷冲击值可以看出，块状铁素体是导致低温冲击韧性低的原因。

形成不同形貌的铁素体组织与冷却速度有一定的关系，冷却速度慢，块状铁素体形成是在高温区即组织共析区，先共析铁素体随时间的延长聚集长大，这种块状铁素体在淬火过程中形成软点，使材料的性能下降，特别是屈服强度和冲击韧性。

图4 M2 ～M5 锻件不同热处理制度的高倍组织照片

原材料高倍组织下呈现非常明显的条带组织，导致了锻件的低温冲击韧性降低。

⑴通过增加改锻工序，通过两镦两拔制坯后，条带组织被揉碎，但组织中铁素体在晶界处聚集长大，热处理后影响锻件的低温冲击韧性。

⑵通过增加正火，组织的晶粒有一定的细化效果，但对锻件的低温冲击韧性未有很明显的改善；通过调整淬火冷却方式，改为水淬，对锻件的低温冲击韧性有很大的改善。

作者介绍

王玉佩

研发技术员，工程师，主要负责锻造热加工，擅长钛合金、结构钢、铝合金等多种合金的热加工成形和冶金分析。主管民机航空锻件的研制与开发，特别对航空锻件的预成形有独特的设计理念。

——来源：《锻造与冲压》2020年第17期