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40CrNiMoE 钢锻件的热处理与力学性能


40CrNiMoE 钢锻件的热处理与力学性能
本文研究了W9Cr4V2Mo钢的热加工和热处理工艺, 测试了 其高温性。其结果表明要达到较高的综合性能,40CrNiMoE 锻件需 要通过调质来最大限度发挥材料潜力,最佳调质工艺为( 860 ± 10) ℃ 淬火, (570 ±10) ℃ 回火, 表面硬度应控制在 325 ~ 340 HB 之间。 关键词:40CrNiMoE锻件 热加工 热处理

摘要

引言:
40CrNiMoE 钢是特级优质合金结构钢, 具有高强度和高淬透性, 常常用于制备高强度零件 ( 如飞机发动机轴等) 。 按照 GB / T 3077 —1999 合金结构钢》 《 规定, 40CrNiMoA 试样经 850 ℃ 淬火, 600 ℃ 回火后应达到如下性能: 抗拉强度 R m ≥980 MPa, 屈服强度 R P0. 2 ≥835 MPa,伸长率 A≥12% ,断面收缩率 Z≥55% ,冲击吸收 能量 KU2 ≥78 J,表面硬度无具体要求。生产合同上规定掏取的小 试样调质后力学性能要求( 纵向试样,1 拉 3 冲) : R m ≥1100 MPa,R P0. 2 ≥900 MPa,KV2 ≥70 J,伸长率与断面收缩率与国标 要求一致,表面硬度320 ~ 360 HB。 锻件产品 ( 用 ?580 mm 电渣锭生产的 ?230 mm锻圆) 的 锻造工序在 5 t 空气锤上实现。产品经锻后热处理—热装退火,掏取 的试棒又进行预备热处理—正火和性能热处理—调质后, 性能基本达 到了客户的产品要求,充分发挥了 40CrNiMoE 的材料潜力,超过了 国标材料性能, 最终实现了产品的生产与交货, 但是过程控制中铸造、 锻造、锻后热处理、性能热处理等环节都应严格控制质量,这样无疑 对生产设备、人员素质、材质及工艺都提高了要求,也提高了产品的 生产成本。本文针对 40CrNiMoE 锻件产品,为了满足客户的 综合力学性能要求,进行了一系列摸索,为该类锻件的 产品实现积累了一定的实践经验。

一、 试验材料与方法 化学成分:
严格控制钢材的化学成分,通过化学分析方法检测 40CrNiMoE 锻 件 的 化 学 成 分,并 与 GB / T 3077—1999《合金结构钢》规 定的化学成分相比较,结果如表 1所示:

40CrNiMoE 钢锻件的化学成分( 质量分数,%) Table 1Chemical composition of 40CrNiMoE steel forgings ( wt%)
1

C 国 标 厂 控 实 测 0.403 0.39~0.44 0.37~0.44

Si 0.17~0.37

Mn 0.50~0.90

Cr 0.60~0.90

Ni 1.25~1.65

Mo 0.15~0.25

P ≤0.025 ≤0.025

S ≤0.015 ≤0.015

0.17~0.27

0.70~0.90

0.65~0.90

1.45~1.65

0.15~0.25

0.203

0.203

0.661

1.603

0.211

0.017

0.006

二、试样制备
产品的锻后热处理采用热装退火( 带一次过冷) ,有利于降低 产品的白点倾向。具体工艺曲线如图 1 所示:

图 1锻件的预备热处理曲线

Conditioning heat treatment Process for the forgings

按照 GB / T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及 试样制备》要求,在退火后的产品一端1 /2 半径处以掏料机纵向掏取 ?20 mm × 200 mm 试棒。从产品本体掏取的试棒经过 880 ℃ × 2 h 正火,风冷到室温,为最终热处理做好准备。试棒的调质工艺: 所有试样均经过 860 ℃ × 2 h 油淬,淬火后检测表面硬度均在 50 HRC 以上; 回火则分别按照下列温度( 470、500、530、570 和 600 ℃ ) 进行回火 2 h,回火完成后油冷到室温,防止第二类回火 脆性。根据合同约定,分别按照 GB / T 228—2002《金属材料 室温 拉伸试验方法》和 GB / T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验》 要求制备拉伸和冲击试样。

三、试验结果与分析
调质处理后试样的力学性能结果如表 2:
2

Table 2

表 2 力学性能检测结果 Mechanical properties test results of the forgings

回火温度 /℃

编 号

R P0. 2 / MPa

R m / MPa

A /% ≥12

Z /% ≥55

KV2 / J ≥70

硬度 / HB 320 ~ 360

≥1110

≥900

470 500 530

1 2 3

1251 1198 31, 1189 32, 1170

1280 1256 1224 1220 1106 1118 1124 1120 1120 1084 1091 1061 815

12 12.6 143.2 12.6 15.2 14.5 15.4 15.6 14.5 15.4 15 16 19

54 49 56 55 60 60 62 58 57 61 60 59 66

38\54\50 38\4038 55\56\55 60\64\60 72/72/78 75/74/75 86/86/85 72/80/80 77/78/81 88/86/91 74/76/80 78/82/82 205/195/205

365\375 345\363 325\325 354\361 323/332 335/330 339/333 336/332 325/338 325/347 331/329 321/324 306/308

570

4

41, 1005 42, 1020 43, 1048 44, 1025 45, 1069 46, 993 47, 1004 48, 997

600

5

630

调质处理后试样的力学性能结果如表 2 。可以看出,在 不同回火温度下, 具有相近淬火效果的试样力学性能差异较为 明显: 随着回火温度的升高,试棒的表面硬度不断降低,强 度指标也不断降低,其塑性指标 则 不 断 提 高。 当 回 火 温 度 从 470 ℃ 升 高 到600 ℃ ,抗拉强度 R m 从 1280 MPa 降到了 815 MPa,屈服强度 R P0. 2 从 1251 MPa 降到 了 630 MPa,而 KV2则是由 40 J 左右升高到了 200 J 左右。 其中,( 570 ±10 ) ℃ 回火后,4 号试样的综合力学性能 基本达到了产品要求。 一般认为, 调质处理可以提高材料的综合力学性能。针对 调质钢,即中碳钢或中碳合金钢而言,保证良好淬透性的条件 下, 通过马氏体相变获得淬火马氏体经过高温回火后得到回火 索氏体的办法提高其综合力学性能。 通常,材料的冲击性能评价形式有两种,一种是U 型缺
3

口试样; 一种是 V 型缺口试样。二者的性能数据之间有着 一定的联系与区别,一般 V 型缺口试样 性 能 要 高 于 U 型 缺 口 试 样 较 多, 以 对 于40CrNiMoE 材料性能而 所 言,显 然 产 品 要 求 性 能 超 出了国标性能,这给企业 的生产带来了较大的难度,也耗费了较长的生产周期。而仅仅 通过回火后测试试样的表面硬度来预测材料力学性能的方法, 显然比较冒险,因为硬度仅仅只是强度的参考,也并不能预测 试样的冲击性能。 通过铸造车间材料成分的严格控制, 锻造车间锻造工序的 有序安排, 再加上热处理车间合理的锻后热处理工艺保证和最 终热处理工艺控制,最终达到了产品要求,充分发挥 40CrNiMoE 钢的材料潜力。

四、结语
1) 40CrNiMoE 锻件的性能要求较高,需要通过一系列较为严 格的过程控制 ( 包括材质、铸造、锻造、热处理等工序) 以保证 产品合格。 2) 要达到较高的综合性能,40CrNiMoE 锻件需要通过调质来 最大限度发挥材料潜力, 最佳调质工艺为 860 ± 10) ℃ 淬火, ( (570 ±10) ℃ 回火,表面硬度应控制在 325 ~ 340 HB 之间。 3) 企业针对购销合同评审时, 技术人员和营销人员应参照最新 国家标准,否则将会给产品实现过程带来较大的难度,提高了产品实 现时的生产成本。

参考文献: [1]中国机械工程协会热处理协会. 热处理手册: 第 1 卷 [M]. 4 版. 北京:机械工业出版社,2008: 163-165 [2]江 利,孙 智,吴玉萍,等. 现代金属材料[M] 徐州: 中国矿业大学出版社,2000: 45-49. [3]马晓兵,毛雪芹,那 涛,等. 亚温淬火在大型锻件中的 有效应用[J]. 大型铸锻件,2009( 4) : 42-44 [4]蔡铁庄,王文 . 提高调质钢锻件冲击韧性的工艺试验 [J]. 大型铸锻件,2009( 3) : 6-9. [5] 卢银德. 大型锻件的热处理工艺 [J] 金属热处理, . 2004,
4

19 ( 4 ) :47-49. [6]热处理工技能实战训练手册 [7]金属热处理工艺手册

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