41Cr4钢棒材调质处理的研究.pdf

第 4 期41Cr4 钢棒材调质处理的研究王东，李亮亮，刘学文（江阴兴澄合金材料有限公司，江苏 江阴214429）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：文章针对 41Cr4 钢棒调质性能进行了研究，结合 41Cr4 合金结构钢的相变温度，通过对调质处理工艺参数的优化，包括淬火温度、回火温度和保温时间等，分别在辊底式连续调质炉和中频感应调质线制定了两种调质工艺试验方案。从调质的硬度、拉伸、冲击、组织等方面进行对比分析，并总结了不同的加热设备调质处理 41Cr4钢棒性能的优缺点。结果表明，合适的调质处理可以显著改善 41Cr4 钢棒材的力学性能，提高其硬度和韧性。本研究为 41Cr4 钢棒材在实际应用中的调质处理提供了理论依据和实践指导。关键词：41Cr4 钢；调质；辊底式连续炉；中频感应加热作者简介：王东（1988），男，江苏邳州人，主要从事特殊钢的热处理技术与开发工作。41Cr4 钢是从欧洲引进的优质合金结构钢，是一种机械制造的原材料，属于超高强度钢，抗拉强度、屈服强度及淬透性均比 40#钢高，但其焊接性有限，有形成裂纹的倾向。41Cr4 用于较重要的调质零件，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力、良好的低温冲击韧性和较低的缺口敏感性咱1暂，广泛应用于交变负荷下的零件、中等转速和中等负荷的零件。表面淬火后可做负荷及耐磨损性较高，而无很大冲击的零件，如齿轮、轴、套筒、曲轴、销子及风电紧固件等咱2-3暂。由于其良好的性能，市场的需求量日益增加，具有较高的经济效益。文章通过试验对比分析，着重介绍了不同的调质加热设备，对其性能的稳定性、生产效率的差异的影响。1试验材料试验选用的材料是江阴兴澄特种钢铁有限公司生产的 41Cr4 热轧棒材，生产工艺流程为：转炉（BOF）精炼炉（LF）真空脱气（RH）连铸（CCM）钢坯加热粗轧中轧精轧KOCKS 减定径下线调质处理，钢材规格直径为 渍42mm，其化学成分具体如表1。2试验方案本次试验制定了 2 种工艺流程，根据 41Cr4 钢实际测定的 CCT 曲线，如图 1 所示，其 Ac1为 743，Ac3为782咱3暂，设计了感应调质工艺和辊底式连续调质炉的调质工艺，如表 2。由于辊底式连续调质炉是多通道连续热处理炉，每架是按照 5 支布料，其布料方式如图 2 所示，所以感表 141Cr4 化学成分（质量分数，%）C0.38耀0.45Si臆0.4Mn0.60耀0.9Cr0.90耀1.20Ni臆0.25P臆0.025S臆0.035Cu臆0.030表 2调质工艺参数工艺感应调质辊底炉调质淬火工艺900益伊5min+水淬870益伊20min（保温）+水淬回火工艺595益伊7min水冷550益伊30min（保温）水冷辊速45.11mm/s12.21mm/s图 141Cr4 连续冷却转变曲线90080070060050040030020010000.5 110102103104105时间/s79冶金与材料第 44 卷应调质在连续生产的 5 支棒料上，每支头、中、尾分别取样检验性能；辊底式连续调质炉在同一架料的 5 支棒料的每支头、中、尾分别取样检验性能，确保两次试验数据数量相同，具有对比性。图 2辊底式连续调质炉调质布料方式前进方向在已调质的试样上，从中间切断通过全自动磨抛机制作金相试样，采用 4%的硝酸酒精腐蚀后，用 IMAGER型金相显微镜在放大 500 倍下观察回火组织；采用BH3000 型布氏硬度计测定试样的硬度。拉伸试样尺寸的选取及拉伸性能试验检测按 GB/T228.12010 金属材料拉伸试验第 1 部分：室温试样方法 进行。冲击试验按照 GB/T 2292020 金属材料夏比摆锤冲击试验方法 进行-20试验，试样尺寸 10mm伊10mm伊5mm，V 形缺口。3试验结果与分析方案 1，感应调质是对钢棒进行穿透式加热在线喷淋水环淬火，然后进行感应加热透热高温回火，可在连续作业生产线上完成的调质工艺。对于 41Cr4 亚共析钢，其 Ac3温度约为 782，常规热处理选取淬火温度为840880咱4暂。但由于感应加热速度非常快，其临界点Ac3随加热速度的加快而升高咱5暂，而且要考虑奥氏体化的充分性，所以适当地提高了钢的奥氏体化的加热温度，如表 2 所示，再通过高温回火得到回火索氏体组织。在已调质的棒材上按照图 2 要求取样检测纵向力学性能，其检测的结果及性能要求见表 3，均满足客户的技术要求。同时得到了较为均匀的回火索氏体组织，未见贝氏体组织及块状铁素体出现，如图 3。方案 2，该辊底式连续调质炉是兴澄特钢与炉子制造商合作国内首创的一台小规格多通道辊底式连续调质炉，可热处理的规格直径为渍2565mm。采用天然气加热，多区独立脉冲式控制加热，其布料方式如图 2 所示，相当于 5 条连续式传输通道，加热的均匀性好、效率高。该热处理炉的淬火系统，采用多通道独立水环在线喷淋淬火，使钢材奥氏体化后获得更均匀的淬火马氏体组织。针对 41Cr4 钢制定的调质工艺如表 2 中辊底式连续调质炉调质工艺，其调质后检测的结果及性能要求，均满足客户技术要求。同时得到的回火索氏体组织也较为均匀，相比方案 1 感应调质的晶粒度更细小、更均匀，如图 4。对于两种不同的调质工艺，辊底式连续调质炉调质的硬度、屈服强度、抗拉强度均比中频感应调质的高，如图 5、图 6、图 7 所示，但中频感应调质的冲击性能优于辊底式连续调质炉，如图 8 所示。根据理论原理分析，在一定范围内，材料的塑性性能越强，其韧性要表 3感应调质的力学性能编号1#头1#中1#尾2#头2#中2#尾3#头3#中3#尾4#头4#中4#尾5#头5#中5#尾均值maxmin极差性能要求12.5mm处硬度HBW337336335336334331333329333331330329330326328331.533732512310耀365屈服强度/MPa9811008976102097999298410011003995100310141015100010201001102597649逸940抗拉强度/MPa109510971090111210931095108611001107110310961113111211041083109911141082321040耀1170伸长率A/%14.914.514.414.615.116.616.716.616.516.41616.115.815.91615.916.814.42.4逸9面缩Z/%59596058606261616160616060606160.462584逸48屈强比/%89.5991.8989.5491.7389.5790.5990.6191.0090.6190.2191.5191.1191.2890.5894.1891.0694.1889.54Akv-20益/J68725870747076827878777470686671.5825824逸2780第 4 期350340330320310感应调质辊底炉调质略差，这与试验结果也是完全一致的。从微观回火组织看，辊底式连续调质炉调质获得了晶粒更细小的回火索氏体组织，提高了材料的综合机械性能。对 2 次试验的 渍42mm 的材料，中频感应调质的产能约 1.8t/h，而多通道辊底式连续调质炉的产能约为2.4t/h，相比中频感应调质产能提升约 30%。中频感应调质采用电加热，加热温度也较高，而多通道辊底式连续调质炉加热温度低，采用天然气加热，成本更低，更安全环保。4总结综上所述，从以上两组试验结果可看出，多通道辊底式连续调质炉和中频感应加热调质都能得到满足用户使用的机械性能。其次，对于优质合金调质钢 41Cr4，采用辊底式连续调质炉调质可以获得稳定的力学性能，综合力学性能优于传统的中频感应加热调质性能。同时，采用该多通道辊底式连续调质炉调质，提高了生产效率，降低了能源消耗，同时产品质量得到了提升。参考文献1 傅璞.40Cr热处理工艺及其组织与性能 J.机械工程与自动化，2005（5）：110-111+114.2 郭十奇，柯美武，陶会丽.42CrM0钢双排链轮轴调质工艺改进 J.金属热处理，2011，36（6）：118-119.3 史可庆.淬火冷却速率对42CrMo4钢风电空心主轴的影响J.热处理技术与装备，2019，40（3）：34-39.4 樊东黎.热处理技术数据手册 M.北京：机械工业出版社，2000.5 中国机械工程学会热处理学会.热处理手册 M.北京：机械工业出版社，2008.图 3感应调质组织回火索氏体500伊图 4辊底炉调质组织回火索氏体500伊图 5距表面 12.5mm 处的硬度图 6距表面 12.5mm 处的屈服强度王东等：41Cr4钢棒材调质处理的研究感应调质辊底炉调质10501000950900图 7距表面 12.5mm 处的抗拉强度114011201100108010601040感应调质辊底炉调质图 8距表面 12.5mm 处的冲击性能感应调质辊底炉调质10080604020081