中车四方车辆有限公司 山东省青岛市 266000
摘要：为提高42CrMo钢锻件-40℃低温性能，特别是-40℃低温冲击韧性，开展了油淬+回火空冷、油淬+回火油冷、油淬+回火水冷3种热处理工艺规范的对比试验研究。结果表明，42CrMo钢锻件经过油淬+回火水冷热处理后，冲击韧性明显提高，20℃冲击功由油淬+回火空冷的60J和油淬+回火油冷的46J提高到114J，-40℃冲击功由油淬+回火空冷的12J和油淬+回火油冷的26J提高到101J。
关键词：42CrMo钢 回火脆性 -40℃低温冲击韧性
42CrMo钢为中碳合金结构钢，具有淬透性好、综合力学性能高、回火脆性不敏感等特点。在机车车辆中常被用于制造牵引拉杆、弹簧上下夹板、轴箱后盖、整体起吊吊耳等重要零部件。
随着我国动车组列车运行范围的扩大，一些地区冬季的环境温度甚至达到-40℃。
在这种低温环境下，零部件的力学性能大幅降低，特别是冲击性能随温度降低直线下降，材料由韧性断裂过度为脆性断裂，给车辆运行安全带来巨大隐患。因此，设计对关键零部件的-40℃低温冲击韧性提出了更高的要求。
42CrMo钢中合金元素Mo能抑制杂质元素向A（奥氏体）晶界偏聚，而且自身也不偏聚，可有效抑制回火脆性。但按常规热处理工艺回火后缓冷，42CrMo钢锻件-40℃低温冲击韧性明显不足。在此我们研究了不同的热处理工艺过程对42CrMo钢锻件冲击韧性的影响，研究中采用了3种热处理工艺规范，对42CrMo钢锻件的低温性能进行试验分析。结果发现，经过油淬+回火水冷热处理后，42CrMo钢锻件的低温冲击韧性显著提高。
1试验材料与热处理试验方法
1.1试验材料
试验用42CrMo钢化学成分组成（质量百分数，%）为0.39C、0.26Si、0.68Mn、0.016P、0.007S、0.10Cu、0.11Ni、0.98Cr、0.18Mo。采用热膨胀法大致测得AC1= 730℃AC3=800℃。
牵引拉杆、弹簧上下夹板、轴箱后盖、整体起吊吊耳热处理前的最大有效厚度（主体断面）为30mm，我们采用规格为30mm×30mm×240mm的模拟试棒进行热处理试验，42CrMo钢锻件热处理后的要求见表1。
表1 42CrMo钢锻件热处理后的要求
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1.2热处理试验方法
根据42CrMo钢AC3值，我们选择热处理试验用淬火温度为860℃。同时为保证锻件热处理后的综合机械性能（表1），对淬火后的42CrMo钢锻件选择570℃进行回火处理。为研究回火后冷却速度对42CrMo钢锻件冲击韧性的影响，试验采用的3种热处理工艺方法分别为：①860℃油淬+570℃回火空冷，如图1a所示；②860℃油淬+570℃回火油冷，如图1b所示；③860℃油淬+570℃回火水冷，如图1c所示。所有试棒均经840℃退火预处理。3种热处理规范的淬火保温时间为试棒有效厚度×（1.5～1.8）×装炉系数（1～2.4）min；回火保温时间为淬火保温时间×（1.5～2）min。3种热处理工艺试验所用设备均为井式电阻炉。
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a油淬+回火空冷
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b油淬+回火油冷
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C 油淬+回火水冷
图1 试验用热处理工艺方法
2试验过程与结果分析
2.1试验过程
对上述3种工艺方法热处理后的模拟试棒分别取样试验，每组测试1个拉伸试样、3个20℃冲击试样、3个-40℃低温冲击试样和1个金相试样。根据GB/T2975《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》标准切取试样毛坯；按GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》标准要求加工拉伸试样并进行试验；按GB/T229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准要求加工V型缺口冲击试样；按GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测试方法》标准要求进行晶粒度和金相组织试验；表2为42CrMo钢锻件经3种不同工艺热处理后所得的力学性能和晶粒度结果。
表2 42CrMo钢锻件经不同工艺热处理后的力学性能及晶粒度结果
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2.2结果分析
从3种热处理工艺试验测试结果（表2）的对比可以看出：42CrMo钢锻件经过860℃油淬+570℃回火空冷后，20℃冲击功为60J（3个冲击试验数据平均值），但-40℃冲击功仅为12J，不满足设计要求（表1）；经过860℃油淬+570℃回火油冷后，20℃冲击功为46J，但-40℃冲击功仅为26J，不满足设计要求；经过860℃油淬+570℃回火水冷后，20℃冲击功为114J-40℃冲击功仅为101J，满足设计要求。
分析3种热处理工艺试验得到的冲击韧性差异较大的原因，主要与回火后冷却速度有关。回火保温后空冷或油冷冷速较慢（如果将水的冷速视为1，那么油的冷速为0.3～0.7，空气的冷速仅为0.1～0.2），42CrMo钢中合金元素Mo不足以完全抑制杂质元素向A晶界偏聚，从而降低了晶界的断裂强度，导致锻件冲击韧性明显降低，特别是-40℃冲击韧性。
3结论
⑴42CrMo钢锻件860℃油淬+570℃回火空冷、860℃油淬+570℃回火油冷，回火后冷速较慢，会严重降低42CrMo钢锻件的冲击韧性。
⑵42CrMo钢锻件860℃油淬+570℃回火水冷，提高回火后冷却速度，可以降低回火脆性，保证42CrMo钢锻件的冲击韧性。
参考文献:
[1] 徐洲，赵连城.金属固态相变原理[M].科学出版社，2004
[2] 胡光立，谢希文.钢的热处理原理与工艺[M].西北工业大学出版社,1993
[3] 张树松，仝爱莲.钢的强韧化机理与技术途径[M].北京兵器工业出版社,1993
作者简介:刘伟义（1984- ），男，工程师