AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

来源:中国矿业大学(北京) 机电与信息作者:赵立新

重点研究AISI4140钢的淬火温度、防止开裂和水-空循环时间等热处理工艺。通过多次实验确定了最佳的热处理工艺参数,实现了AISI4140 钢强度及韧性的良好匹配。

AISI4140 钢具有高强度、高淬透性、高韧性、高蠕变强度和使用温度高达427℃等特点,广泛用于机车牵引用的大型齿轮、无缝钢管和大型锻件等。近年来,随着我国钢铁工业的飞速发展,无缝钢管生产也有了同步发展。AISI4140 无缝钢管的各项性能指标及尺寸精度要求较高,生产难度大,但出口价格也高出同类产品价格的2000~3000 元/ 吨,是一个经济效益比较好的产品。

虽然AISI4140 调质管利润空间很大,但产品的开发难度也很大,主要是对坯料的质量、轧管的尺寸精度及热处理工艺要求都特别高。目前,国内外对其进行的研究主要集中在42CrMo 钢的热处理工艺、抗疲劳和动态回复及再结晶行为等方面。而AISI4140的热处理工艺(调质处理)则多是采用850℃油淬后高温回火,这样存在一个硬度较低,单纯使用水淬又较容易开裂的问题。

本文的主要目的是找到一种合适的工艺解决调质处理过程中水淬易出现淬火裂纹及油淬不硬的问题。主要借助上海交通大学提出的水-空交替控时淬火冷却技术并结合具体实验进行探索,在对实验数据进行分析的过程中不断地改进工艺,以求达到满意的性能。

1、试样的成分及性能指标

AISI4140 钢化学成分见表1。满足用户对AISI4140 系列调质无缝钢管交货状态下的纵向力学性能指标,其具体性能指标见表2。

表1 AISI4140 钢化学成分(质量分数,%)

AISI4140 钢化学成分

表2 AISI4140 钢力学性能

AISI4140 钢力学性能

由AISI4140 钢的相关临界转变温度图可知,淬火温度为830~880℃,保温45min。图1 为AISI4140 回火温度与硬度的关系曲线和回火温度对冲击功的影响。AISI4140 调质后需要有较好的塑性和较高的冲击功,因而需要采用高温回火得到回火索氏体。由对硬度(30~35HRC)和冲击功(逸40J)的要求,并结合图1 中的AISI4140钢回火温度与硬度和冲击功的曲线,可知回火温度取560~610℃是比较合适的。

AISI4140 钢回火温度与硬度和冲击功的关系曲线

图1 AISI4140 钢回火温度与硬度和冲击功的关系曲线

2、实验过程与讨论

2.1、实验工艺的确定

初步制定了以下实验工艺。①将试样加热到860℃保温45min,出炉进行淬火。淬火冷却过程主要为以下四个阶段。空气中预冷处理120s曰水冷3s邛空冷6s邛水冷3s邛空冷6 s噎,当温度降到560℃左右时停止曰水冷3 s邛空冷3s邛水冷3s邛空冷3s噎,当温度降到280℃左右时停止曰水冷3s邛空冷9s邛水冷3s邛空冷9s噎,温度降至200℃左右停止淬水,淬火完成。②及时把试样放入回火炉进行回火,在580℃保温75min,然后出炉空冷。

2.2、试样尺寸

实验中的试样是从准159mm伊29mm 的厚壁管上切下的一小段,形状如图2 所示。内弧长记为a,外弧长记为b,平行于管的轴向方向长度记为c,分为小试样和大试样。其小试样尺寸为:a=20 mm、b=25mm、c=20mm曰大试样中a=30mm、b=35mm、c=200mm。a、b 间的距离即管厚为29mm。(注:由于不同尺寸的试样其热处理工艺有着较大的差别,因此,这里对试样的尺寸进行具体描述是十分必要的)。

AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

图2 试样形状图

2.3、实验步骤及结果

实验1 将水冷时间和空冷时间分别定为4s和6s。实验时有2 个小试样,即试样1#和试样2#,其过程见表3。

表3 实验1

AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

淬火结束时试样1# 和试样2# 均发生了明显的开裂,发现裂纹均起源于棱角处,可能是淬火停止时试样的温度过低,导致马氏体转变期积累了较大的组织应力,从而导致了开裂。适当升高淬火停止时试样的温度,以减小马氏体转变期的组织应力。实验2 也是2 个小试样,为了避免试样开裂,减少了淬火时水-空循环的次数,这样淬火结束时试样温度较高,马氏体转变期冷却速度减小,使试样的组织应力得到有效的缓解。过程见表4。

表4 实验2

AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

淬火结束时试样1#和试样2#均发生开裂,裂纹的大小、形状相似,且均起源于试样的棱角处。随时间的延长,裂纹有扩大的趋势,但发现裂纹尺寸较实验1 的小,说明实验方案的改进对防止开裂起到了一定的作用。原因还是淬火结束时试样的温度太低,即马氏体转变期聚集的组织应力太大,而无法及时得到释放,同时考虑到淬火加热温度过高,奥氏体晶粒粗大,使淬火后马氏体粗大,脆性增大,易产生淬火裂纹。因此,需要进一步提高淬火结束时试样的温度,并适当降低淬火加热的温度。

实验3同样也是2 个小试样,从前两次实验分析中,将试样1#、试样2#的淬火温度降为850℃,同时进一步减少淬火时水-空循环的次数,这样淬火结束时试样的温度继续升高。试样1#和试样2#的实验过程见表5。

表5 实验3

AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

淬火结束时试样1#和试样2#均未发生开裂,说明减少淬火时水-空循环的次数,提高淬火结束时试样的温度,减小马氏体转变期的冷却速度及降低试样的淬火温度的整体思路是正确的。通过对未裂的试样1# 进行硬度测试,平均值为339HEW,符合要求。

实验4为2个大试样,其实验过程见表6。

表6 实验4

实验4

用低温测温枪测得试样1# 和试样2# 淬火结束时的温度分别为195℃和230℃左右。调质处理完成后发现试样1#和试样2# 均未出现裂纹。将试样1#、2#分别加工成标准拉伸和低温冲击试样,并留出余料测试硬度。通过对试样1# 和试样2# 的标准试样分别进行拉力实验、低温冲击(在-10℃环境下)实验、硬度实验,得到表7所示的力学性能指标。可看出,两组数据均符合客户的要求,且试样1#、2#所得到的性能数据很接近,说明两种工艺方案都是可行的。

表7 试样1#、2#力学性能

AISI 4140钢水-空循环控时淬火新工艺

3、结论

用水-空交替控时淬火冷却的方法研究了AISI4140 钢的调质处理工艺。避免了淬火开裂,同时又使性能达到既定的要求。随着工件尺寸的增大,野第一次空冷时的自回火现象冶将会发挥着越来越显著的作用,并结合淬火结束时工件的温度问题的考虑,实际生产中的淬火过程水中停留的时间必然要延长。因此此论文中的实验工艺对实际生产仅有一定的参考价值。