钒对40CrNiMo钢淬透性的影响

摘要:为解决40CrNiMo钢在保持其良好淬透性的同时添加镍所带来的高成本问题,提出了通过钒(V)微合金化降低镍含量的技术方案,旨在保持优异淬透性的同时实现成本控制。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等对试验钢的原奥氏体晶粒和微观组织进行表征,通过连续冷却转变(CCT)曲线测定和端淬试验分析了所开发的40CrNiMoV钢与40CrNiMo钢的淬透性差异,并探讨镍替代原理。结果表明:V微合金化降低了40CrNiMo钢获得全马氏体组织的临界冷却速度,当冷速为10℃/s时,40CrNiMoV钢组织为全马氏体,而40CrNiMo钢中仍存在部分贝氏体;V对淬透性的改善与奥氏体化温度有关,在850℃奥氏体化时,未溶MC型碳化物的存在及晶粒细化导致合金元素固溶量不足,淬透性提升有限;而奥氏体化温度为870和900℃时,40CrNiMoV钢组织中碳化物完全溶解且晶粒适度粗化,表现出了更好淬透性;定量分析表明,870℃奥氏体化时,质量分数为0.08%的V元素对理想临界直径(D_I)的增益效果达1.2%Ni(两钢Ni含量差值)的0.99倍,表现出优秀的淬透性改善效果。

装备大型化对大规格(64mm≤φ≤72mm)螺栓用钢的淬透性提出了更为严苛要求。大规格螺栓淬火后心部很难得到完全的马氏体组织,贝氏体等组织的比例会随着截面尺寸的增加而升高[1-3],这影响了截面性能的均匀性与低温冲击韧性[4-5]。因此,大规格紧固件的制造大都选择含有一定Cr、Ni、Mo元素的钢种制造,如40CrNiMo,其中Ni元素的添加一方面改善了低温冲击韧性[6-8],另一方面对淬透性有所改善[7,9],但Ni的加入使其较同类钢种价格偏高,无法满足低成本化的需求,开发一种低成本的合金化策略是大规格螺栓领域待解决的问题。

目前主要通过合金化的方法改善淬透性。一是微量Al、B单独或复合添加,质量分数0.05%左右的Al元素即可对淬透性有较大的提升[10];10×10-6左右的B元素的添加即可明显改善淬透性[10-12],但该类元素的添加会影响低温冲击韧性[13]。二是添加Cr、Mn、Mo等合金元素来提高淬透性[4,14-15],该类元素会在钢中形成碳化物,作为过冷奥氏体高温转变的形核核心而不利于淬透性[16],同时也会提高成本。近年来的一些研究发现,V元素以固溶态存在时可以改善淬透性[17-18];此外,V的添加有助于改善力学性能[19-21],且V的添加量较少,对钢材成本影响小。因此本文针对大规格螺栓的淬透性问题,在40CrNiMo钢合金化体系上添加少量V元素,大幅降低Ni元素的含量开发了40CrNiMoV钢,对其与40CrNiMo连续冷却转变规律与淬透性差异进行了研究,并结合微观组织讨论钒存在状态对淬透性的影响。

1 试验材料与方法

两种试验钢的化学成分如表1所示。通过DIL805型热膨胀相变仪研究试验钢的静态连续冷却转变。试验方法为:将尺寸为φ4mm×10mm的圆柱试样通过热膨胀仪加热至870℃,保温8 min,然后分别以0.05、0.1、0.3、0.5、1、3、5、10、20和50℃/s的速度冷却至室温,在热膨胀曲线上通过切线法确定相变点。通过Apreo 2s型扫描电镜(SEM)观察冷却后试样的微观组织;通过标乐RH2150型洛氏硬度计测定每个试样的硬度,加载载荷为150kg,保载时间为3s。

通过端淬试验研究试验钢的淬透性差异,试验方法按照GB/T 225—2019《钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验)》进行,选定850、870和900℃3个不同的奥氏体化温度。通过过饱和的苦味酸溶液对不同奥氏体化温度的原奥氏体晶粒进行腐蚀,后续通过截线法对平均晶粒尺寸进行测定。采用体积分数4%硝酸酒精溶液对不同奥氏体化温度下的微观组织进行腐蚀后通过SEM观察。利用JEOL 2100型透射电镜(TEM)对组织中未溶的碳化物进行表征,所用样品经机械磨抛后采用电解双喷制得,双喷液为体积分数7%的高氯酸酒精溶液,电压在40V左右并控制温度约-40℃。

2 试验结果与分析

2.1 试验钢的连续冷却转变规律

通过切线法确定试验钢的相变点,40CrNiMoV钢的A_c1=740℃,A_c3=796℃,M_s=284℃;40CrNiMo钢的A_c1=720℃,A_c3=787℃,M_s=290℃(图1为冷速为50℃/s时的热膨胀曲线)。图2为试验钢的连续冷却转变(CCT)曲线,40CrNiMoV钢的珠光体转变存在于<0.1℃/s的冷速区间,40CrNiMo钢珠光体转变存在于<0.5℃/s的冷速区间;40CrNiMoV钢获得纯马氏体组织的临界冷速为5℃/s,40CrNiMo钢获得纯马氏体的临界冷速为10℃/s。由于40CrNiMo钢中Ni含量较高,使得其相变温度较40CrNiMoV钢稍低[22]。较低的临界冷速表明40CrNiMoV钢具有较好的淬透性,其获得马氏体的能力优于40CrNiMo钢。

图3为试验钢在不同冷速下的微观组织。当冷速为0.05℃/s时,两种试验钢的组织均为珠光体+铁素体+贝氏体;当冷速提高至0.3℃/s时,珠光体消失,组织以贝氏体+少量马氏体为主;当冷速为10℃/s时,40CrNiMoV钢为全马氏体组织,而40CrNiMo钢还存在着少量的贝氏体,冷速继续提高,两种试验钢的组织均为全马氏体组织。

2.2奥氏体化温度对淬透性的影响

试验钢在不同奥氏体温度下的淬透性曲线如图4所示。奥氏体化温度分别为850、870和900℃时,40CrNiMoV钢淬火端的硬度分别为55.5、55.5和56 HRC,高于40CrNiMo钢对应温度下的54、54.5和55 HRC。距淬火端面的距离小于15mm时,40CrNiMoV钢与40CrNiMo钢的硬度下降不大;此后硬度呈现较快的下降趋势。此外,随着奥氏体化温度的升高,试验钢的硬度增加,表明奥氏体化温度提高有助于淬透性的改善。当奥氏体化温度为850℃时,40CrNiMoV钢的端淬曲线在40CrNiMo钢下方,此时40CrNiMoV钢淬透性较差;当奥氏体化温度为870和900℃时,40CrNiMoV钢的端淬曲线均在40CrNiMo的上方,表明40CrNiMoV钢淬透性好于40CrNiMo钢。中碳钢半马氏体硬度(HRC₅₀)与碳含量的关系可以通过式(1)计算;理想临界直径(D_I)与HRC50的关系可通过式(2)计算[23]:

HRC₅₀=23+50·C%                                                                                                                                                                            (1)

D_I=13.395+6.109X-0.107X²+0.001X³-2.8×10^-6X⁴                                                                                                                                             (2)

式中:C%为碳元素的质量分数;X为半马氏体距,在端淬曲线上根据半马氏体硬度得出。D_I值如表2所示。可见,当奥氏体化温度为850℃时,40CrNiMo钢具有较大的理想临界直径,为151.6 mm,而40CrNiMoV钢仅有143.4 mm;提高奥氏体化温度至870℃时,40CrNiMoV钢的理想临界直径达166.2 mm,超过了40CrNiMo钢的133.2mm。当奥氏体化温度为900℃时,两种试验钢的理想临界直径变化不大。

图5为两种试验钢在不同奥氏体化温度下的原奥氏体晶粒图片,晶粒尺寸、理想临界直径(D_I)随奥氏体温度的变化趋势如图6所示。当奥氏体化温度为850℃时,40CrNiMoV钢的晶粒尺寸小于40CrNiMo钢;当奥氏体化温度为870和900℃时,40CrNiMoV钢的晶粒尺寸大于40CrNiMo钢。一些研究表明,晶粒尺寸与淬透性具有相关性,晶粒尺寸增加有助于淬透性的提高,一般认为是晶界的占比降低导致珠光体、贝氏体转变形核位点减少所致[24]。所以,晶粒尺寸与理想临界直径呈现出相同的变化规律。但两种试验钢的晶粒尺寸差异并不是很大,而理想临界直径表现出较大差异,因此,V元素也起到了重要的作用。

3 讨论

3.1 V对淬透性的影响

由表2可见,40CrNiMoV钢在870和900℃时的DI明显大于40CrNiMo钢。而V、Ni元素均有提高淬透性的作用,Ni是一种非碳化物形成元素,通过降低马氏体相变温度增大α相的形核能,从而增大了过冷奥氏体的稳定性以提高淬透性,这已在CCT曲线中有所体现,但微量V即可明显提高淬透性。

可以通过计算V对理想临界直径(D_I)的扩大因数(f_v)来比较V、Ni元素对淬透性的影响,如式(3)所示[17]:

式中:D_{I 40CrNiMoV}与D_{I 40CrNiMo}分别为40CrNiMoV钢与40CrNiMo钢的理想临界直径,C_C、C_Cr和C_Mo分别为消除C、Cr和Mo元素含量差异对理想临界直径产生影响所引入的系数,分别为[17]:

C_C=f_C0.40/f_C0.42=0.97                                                                                                                                               (4)

C_Cr=f_Cr0.89/f_Cr1.00=3.00/3.25=0.92                                                                                                                                      (5)

C_Mo=f_Mo0.24/f_Mo0.30=1.71/1.89=0.90                                                                                                                                  (6)

当奥氏体化温度分别为850、870和900℃时,f_v分别为0.75、0.99和0.93,这意味着在其他合金元素保持一致的前提下,当奥氏体化温度为850℃时,0.08 mass%的V对淬透性的改善效果可达1.2 mass%Ni(试验钢Ni含量的差值)的0.75倍;当奥氏体化温度为870℃时,该倍数增加至0.99,继续提高奥氏体化温度,该数值变化不大。

40CrNiMoV钢在不同奥氏体化温度下的微观组织如图7所示,当奥氏体化温度为850℃时,组织内部存在部分的未溶点状碳化物;而奥氏体化温度为870和900℃时,组织内部的碳化物已全部溶解。通过TEM对碳化物的形貌进行了观察,见图8(a,c),呈球形,尺寸在纳米级,均为MC型碳化物,衍射花样见图8(b,d)。纳米级的未溶碳化物的存在起到钉扎晶界的作用,从而抑制晶粒长大[25],所以奥氏体化温度为850℃时40CrNiMoV钢具有较小的晶粒尺寸。此外,固溶C的含量降低导致硬度下降[4,26]。

V以固溶态偏聚于晶界通过双重机制抑制铁素体相变:1)物理占据晶界缺陷(空位/位错等优先形核位点),减少有效形核位置的同时,通过改变微区化学环境及电子结构增加形核能垒,阻碍先共析铁素体在晶界的形核;2)引发晶格畸变效应,调控相界面迁移过程降低晶界能,从而提高淬透性[27]。故V对淬透性的影响与奥氏体化温度相关,若温度较低,使得V以MC碳化物的形式存在,固溶V含量较低就难以起到改善淬透性的作用。

3.2 V代Ni对低温韧性的影响

表3为试验钢的力学性能,R_m为抗拉强度,R_p0.2为名义屈服强度,A和Z分别为断后伸长率和断面收缩率,-40℃KV₂为-40℃下的冲击吸收能量。二者均经870℃淬火,40CrNiMoV钢回火温度为620℃;40CrNiMo的回火温度为520℃。可见,二者的强度级别均在1200 MPa级时,-40℃低温冲击吸收能量也较为接近,表明V代Ni后的低温韧性损失较小。

4 结论

1)当冷速为10℃/s时,40CrNiMoV钢的显微组织已为全马氏体,而40CrNiMo钢中仍存在一部分贝氏体,V的加入降低了Cr-Ni-Mo系螺栓钢淬透的临界冷速,扩大了马氏体相区,且较Ni更为有效;

2)端淬曲线表明,40CrNiMoV钢由于V的加入,在低Ni条件下获得了较好的淬透性,且较40CrNiMo钢更优;

3)奥氏体化温度对V改善淬透性的效果有着显著的影响,随着奥氏体化温度的升高,40CrNiMoV钢的淬透性逐渐提高,理想临界直径不断增加,这一方面是由于晶粒尺寸的增加,另一方面是固溶C、V含量的提高,0.08 mass%的V对理想临界直径的改善效果最高可达1.2 mass%Ni(试验钢Ni含量的差值)的0.99倍。

参考文献：材料热处理学报，Vol.47 No.3 March.2026；钒对40CrNiMo钢淬透性的影响；李想，陆恒昌，史文，张波，贾来辉，谢立，董瀚

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