文/王育培、郭敏陕西宏远航空锻造有限公司

42CrMo是一种中碳低合金结构钢。调质后具有较高的疲劳极限和良好的低温冲击韧性。多用于制造截面尺寸较大的重要零件，如汽车零件、高铁支架、连杆、齿轮转动件等零件。高铁旋转部件受使用环境的影响，对材料的低温冲击性能提出了很高的要求。数据表明，铸锭中的元素偏析在锻造过程中被拉长，沿轧制方向形成纤维组织。在随后的淬火冷却过程中，由于纤维结构与基体的成分差异，产生了结构差异。特别是在冷却速度比表面慢的中心区域，先共析铁素体会沿纤维组织与基体的界面形核长大，形成明显的沿轧制方向分布的带状组织，对高倍组织和冲击性能影响很大。

本文通过后续锻造变质、调质处理前正火和不同热处理制度的对比分析，观察钢锭中带状组织对后续锻件组织和低温冲击韧性的影响和改善。

试验方法与结果

试样制备

锻件的材料为42CrMo。该模锻件为全曲面分体模，重量为99kg。锻件形状类似马鞍，锻件外形尺寸为400 mm 380 mm 350 mm，这种模锻件要求组织均匀，晶粒细小，综合性能指标优良，尤其是低温(-40)冷冲击值。该模锻件按照棒材毛坯预成形模锻的总工艺方案锻造，锻造标记为M1。其余四个锻件在原工艺流程空白前，通过增加一个锻造修改程序，按原生产流程锻造。

试验方法

锻件的热处理制度为：800 ~ 900，PAG；600 ~ 660，水冷；根据三种不同的正火制度(850，870，890)，800900，PAG；对600 ~ 660水冷热处理方案的组织和性能进行了分析，确定锻件分别为M2、M3和M4。另一个锻件在800 ~ 900水淬；分析了600660水冷热处理方案的组织和性能，确定锻件为M5。调质后的锻件在CDG-10000A型荧光磁粉探伤仪上进行检测，检测标准采用EN10228-1-2016标准。在AG-IC-100kN电子万能拉伸试验机上测试锻件的室温拉伸性能，按照IS06892-1-2016的标准获得抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)和伸长率(A)。它们在P300摆锤冲击试验机上进行试验，低温冲击试验按照IS0148-1-2010进行。硬度测试是根据以下标准进行的。用axioboservera 1 m倒置金相显微镜观察高倍试样的显微组织。

试验结果

M1锻件的理化性能和金相组织分别见表1和图1。

图1 M1锻造的高倍照片。

表1锻件的理化性能数据

从图1可以看出，结构组成不均匀，铁素体聚集成块状。结合表1的理化性能数据，冲击值不合格，平均值21比标准值27差22%左右。铁素体在晶界处聚集长大，使晶粒尺寸增大，裂纹扩展阻力减小，冲击功降低。

收集原材料的相关资料。原材料的化学成分和机械性能见表2和表3。

表2原料的化学成分(质量分数%)

表3处理后原材料的机械性能(巴)

从图2中的低倍组织可以看出，铁素体-珠光体交替分布的带状组织具有一定的方向性。

图2原材料退火状态的高倍照片(100)。

M2M5锻件增加改锻工序对带状组织的影响

年选用了同炉号同规格的42CrMo棒材进行锻造，这里选择了最佳方案：两次镦粗，两次拉拔。看高倍放大

调整淬火冷却方式对锻件冲击值有明显影响。从图4中可以看出，有两种不同形貌的铁素体结构，即红色圆圈中的块状铁素体。原材料组织中有明显的带状组织，调质组织中有大量的块状铁素体；原材料经镦粗、拉拔、锻造后，破碎带状组织，在调质处理前加正火。从图4中的(a)、(b)、(c)可以看出，组织的晶粒尺寸得到细化，但仍有一些块状铁素体。结合表5中的冷冲击值可以看出，块状铁素体是低温冲击韧性低的原因。

形成不同形貌的铁氧体结构并冷却

速度有一定的关系，冷却速度慢，块状铁素体形成是在高温区即组织共析区，先共析铁素体随时间的延长聚集长大，这种块状铁素体在淬火过程中形成软点，使材料的性能下降，特别是屈服强度和冲击韧性。

图4M2～M5锻件不同热处理制度的高倍组织照片

结论

原材料高倍组织下呈现非常明显的条带组织，导致了锻件的低温冲击韧性降低。

⑴通过增加改锻工序，通过两镦两拔制坯后，条带组织被揉碎，但组织中铁素体在晶界处聚集长大，热处理后影响锻件的低温冲击韧性。

⑵通过增加正火，组织的晶粒有一定的细化效果，但对锻件的低温冲击韧性未有很明显的改善；通过调整淬火冷却方式，改为水淬，对锻件的低温冲击韧性有很大的改善。

作者介绍

王玉佩

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研发技术员，工程师，主要负责锻造热加工，擅长钛合金、结构钢、铝合金等多种合金的热加工成形和冶金分析。主管民机航空锻件的研制与开发，特别对航空锻件的预成形有独特的设计理念。

——来源：《锻造与冲压》2020年第17期