文/王玉佩，郭敏·陝西宏遠航空鍛造有限責任公司

42CrMo 屬于中碳低合金結構鋼，經調質處理後具有較高的疲勞極限、良好的低溫沖擊韌性，多用于制造斷面尺寸較大的重要零件，如汽車部件、高鐵支座、連杆、齒輪轉動件等部件，高鐵轉動件受使用環境的影響，對材料的低溫沖擊性能提出高的要求。資料顯示，鋼錠中元素偏析在鍛造過程中拉長，沿軋制方向形成纖維組織。在随後淬火冷卻過程中，由于纖維組織與基體之間成分差異，導緻組織出現差異。特别是冷速相對表面較慢的心部區域，先共析鐵素體會沿纖維組織與基體之間的界面大量形核長大，形成沿軋制方向分布的明顯的帶狀組織，帶狀組織對高倍組織、沖擊性能影響較大。

本文通過後續改鍛和在調質處理前增加正火并采用不同的熱處理制度對比分析，觀察鋼錠中的帶狀組織對後續鍛件的組織和低溫沖擊韌性的影響及改善。

鍛件的材料為42CrMo，此模鍛件為全曲面分模，鍛件重量99kg，鍛件外形類似于馬鞍，鍛件的輪廓尺寸為400mm×380mm×350mm，此模鍛件要求組織均勻，晶粒細小，綜合性能指标優異，特别是要求低溫(-40℃)的冷沖擊值(≥27J),用上述鍛件進行本次試驗，此模鍛件按照：棒料→荒型→預成形→模鍛的大緻工藝方案鍛造成形1 件鍛件，鍛件标識為M1，另外4 件鍛件在原工藝流程荒型前增加改鍛工序，其餘按原生産工藝進行鍛造。

1 件鍛件熱處理制度為：800～900℃，PAG；600～660℃，水冷；3 件鍛件按照增加三種不同的正火制度(850℃，870℃，890℃) 800～900℃，PAG；600～660℃，水冷的熱處理方案進行組織和性能的分析，鍛件分别标識為M2,M3,M4；另外1 件鍛件按照800～900℃，水淬；600～660℃，水冷的熱處理方案進行組織和性能的分析,鍛件标識為M5。将調質後的鍛件在CDG-10000A 熒光磁粉探傷機上進行檢測，遵循EN 10228-1-2016 标準；鍛件的室溫拉伸性能在AG-IC-100kN 電子萬能拉伸試驗機上進行測試，遵循IS0 6892-1-2016 标準，得到抗拉強度(Rm)、屈服強度(Rp0.2)和延伸率(A)，在P300 擺錘沖擊試驗機上進行，按照IS0 148-1-2010進行低溫沖擊試驗，硬度測試在KB3000B-VIDEO 布氏硬度機上進行，遵循IS0 6506-1-2014 标準。高倍試樣采用Axio Observer A1m 倒置式金相顯微鏡進行顯微組織觀察。

M1 鍛件得出的理化性能和金相組織分别見表1和圖1。

圖1 M1 鍛件的高倍照片

表1 M1 鍛件的理化性能數據

從圖1 可以看出，組織成分不均勻，鐵素體聚集成塊狀。結合表1 理化性能數據，沖擊值不合格，平均值21 比标準值27 差了22%左右，鐵素體在晶界處聚集長大，使得晶粒度增大，裂紋擴展阻力減小，沖擊功降低。

搜集原材料相關資料，原材料的化學成分和力學性能見表2 和表3。

表2 原材料的化學成分(質量分數 %)

表3 原材料調質後的力學性能(棒料)

由圖2 高倍組織可以看出鐵素體—珠光體相間分布的帶狀組織，且有一定的方向性。

圖2 原材料退火态的高倍照片(100×)

選用相同爐号，相同規格42CrMo 的棒料進行改鍛，這裡選用最佳方案：兩镦兩拔。從荒型上取樣看高倍組織，如圖3 所示。

圖3 M2 ～M5 鍛件荒型的高倍組織照片(50×)

從圖3 可以看出，帶狀組織被揉碎，能夠看到一些斷斷續續的晶界。

在改鍛的荒坯上取4 塊相同的試塊，按表4 中不同的熱處理制度進行熱處理，高倍組織如圖4 所示，性能數據見表5。

表4 不同的熱處理制度

表5 M2 ～M5 鍛件通過不同熱處理制度的性能數據

調整淬火的冷卻方式對鍛件沖擊值影響明顯，從圖4 中可以看出有塊狀、網狀2 種不同形貌的鐵素體組織，紅色圈内為塊狀鐵素體。原材料組織中有明顯的條帶組織，經過調質後的組織有大量的塊狀的鐵素體；原材料經過镦拔改鍛後，帶狀組織被揉碎，經過調質處理前增加正火，從圖4 中(a)、(b)、(c)可以看出組織晶粒得以細化，但還是有一些塊狀鐵素體，結合表5 冷沖擊值可以看出，塊狀鐵素體是導緻低溫沖擊韌性低的原因。

形成不同形貌的鐵素體組織與冷卻速度有一定的關系，冷卻速度慢，塊狀鐵素體形成是在高溫區即組織共析區，先共析鐵素體随時間的延長聚集長大，這種塊狀鐵素體在淬火過程中形成軟點，使材料的性能下降，特别是屈服強度和沖擊韌性。

圖4 M2 ～M5 鍛件不同熱處理制度的高倍組織照片

原材料高倍組織下呈現非常明顯的條帶組織，導緻了鍛件的低溫沖擊韌性降低。

⑴通過增加改鍛工序，通過兩镦兩拔制坯後，條帶組織被揉碎，但組織中鐵素體在晶界處聚集長大，熱處理後影響鍛件的低溫沖擊韌性。

⑵通過增加正火，組織的晶粒有一定的細化效果，但對鍛件的低溫沖擊韌性未有很明顯的改善；通過調整淬火冷卻方式，改為水淬，對鍛件的低溫沖擊韌性有很大的改善。

作者介紹

王玉佩

研發技術員，工程師，主要負責鍛造熱加工，擅長钛合金、結構鋼、鋁合金等多種合金的熱加工成形和冶金分析。主管民機航空鍛件的研制與開發，特别對航空鍛件的預成形有獨特的設計理念。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第17期

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