唐山中厚板材有限公司 河北唐山 063610
摘要: 通过制定4140钢种成分﹑工艺路线﹑生产过程中工艺参数进行组织生产，获得了较为理想的板材性能数据，板材的外形质量未发生因应力不均而造成的瓢曲现象．
关键词:4140 硬度 CCT曲线 高温回火
前言：美标AISI4140(简称4140) 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．虽然4140 调质板材利润空间很大，但产品的开发难度也很大，主要是对坯料的质量、轧材的尺寸精度及热处理工艺要求都特别高.
热处理金属成型工艺发展经历了两个阶段，第一个阶段是简单的通过塑性变形使工件达到设计的尺寸及形状要求，不考虑工件对力学性能和机械性能的要求，最终通过热处理改善工件各种性能。这种工艺流程将热变形和热处理分割开来，往往造成工件的重复加热处理，致使能源的巨大浪费; 第二个阶段是将塑性成型工艺及热处理工艺统筹考虑，使工件塑性成型过程中既达到尺寸、形状设计要求又满足其性能要求。目前阶段国内外对其进行的研究主要集中在 4140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℃水淬后高温回火，这样存在一个硬度较低，单纯使用水淬又较产生板材应力较高容易出现板型瓢曲甚至开裂等问题，因此成分和工艺路径及参数设计至关重要。
1.成分及工艺路径设计
表1 4140钢标准要求的化学成分
为通过轧制生产过程的淬火冷却预硬化钢材，以达到简化热处理工艺中加热到奥氏体相区再进行淬火冷却到室温的工艺过程，仅在轧制后进行高温回火的热处理工序。因此在成分设计中考虑层流冷却的冷却能力以及高温回火的“软化”程度，成分设计中强化元素按照标准中的上限进行设计，必要情况下考虑加入一定量的钒元素来增加钢板硬度。
根据4140钢种成分设计和性能确定工艺路线：铁水预处理→转炉→LF精炼→RH精炼→板坯连铸机→直接热送加热炉→除鳞→两阶段热变形轧制→层流冷却→板材缓冷→板材火切取样→高温回火热处理→探伤→硬度检测→入库
2.工艺参数制定
2.1轧制工艺参数制定
该钢种轧制工艺参数制定主要考虑轧制变形渗透以及保证轧制后到返红温度区间有足够的过冷度，基于以上原则考虑，轧制过程中的变形量应该主要集中在粗轧阶段，约占到全部变形量的60%以上。同时精轧阶段轧制完毕的终轧温度主要考虑到通过足够的过冷度保证获得硬度指标的“必要富余量”。
通过4140钢种CCT曲线得知，在根据在不同冷却速度(依次为 0．1 ℃/s、0．5 ℃/s、1 ℃/s、5 ℃/s、10 ℃/s 和 20 ℃/s)下，钢组织依次为铁素体+珠光体+贝氏体的混合组织、铁素体+贝氏体、贝氏体、贝氏体+马氏体的混合组织、贝氏体+马氏体的混合组织和马氏体的单相组织，为获得足够的贝氏体+少量的马氏体组织，确定钢板在控制冷却过程中采用实际冷却速度为0．5-1℃/s之间，因此为相变得到所需要的贝氏体组织，制定控制冷却工艺满足返红温度≤650℃。
2.2热处理工艺参数制定
通过文献资料获得在440℃以上温度区间进行高温回火工艺，4140钢种的硬度性能将发生缓慢降低，而塑性性能指标大幅度提高．因此在轧制后通过性能测试获得较为理想热处工艺将至关重要。
在钢中添加一定含量的钒能够显著改善4140钢种的耐延迟断裂性能，钒在钢中的作用主要是提高钢的回火抗力，从而可以在更高的温度下回火，钒的析出物可作为吸附氢较强的陷阱以及细化晶粒。
2.3.金相组织
基体组织以贝氏体为主，伴有少量铁素体+少量马氏体组织，未发现有明显的夹杂物形式存在，晶粒度在7．6-8.2级。晶粒细化程度从而保证钢板的强度以及硬度方面性能，适宜的控制冷却和较高的热处理工艺使少部分马氏体组织状态出现，既达到硬度方面需求，从而降低钢板组织应力，并且消除部分带状组织影响。
2.4总结
通过制定4140钢种成分﹑工艺路线﹑生产过程中工艺参数进行组织生产，获得了较为理想的板材性能数据，板材的外形质量未发生因应力不均而造成的瓢曲现象，整体质量得到了客户的好评。
3.结论
通过4140钢种上限成分设计以及CCT曲线进行该钢种工艺路径及轧制工艺参数设计，可以得到理想的组织状态以及热处理前的性能指标．并且通过4140钢种回火温度与硬度和冲击功的关系曲线，根据热处理前钢种实际性能制定合理的热处理工艺．最终得到综合质量合格的板材。
参考文献：
[1] 王明礼，王 建，王丽霞，等．42Cr Mo 钢冶金质量和显微组织对低温冲击功的影响[J]．轴承，2009，66(12)：37-39．
[2] 陈乃录，左训伟，徐 骏，等．水-空交替淬火冷却技术的研究与应用[J]．金属热处理，2009，34(3)：34-41．
[3] 顾俊杰，秦优琼，陈志林，卢庆华．42CrMo钢高频感应次货及回火组织及硬度的影响[J]．材料热处理技术，2010，11(12)：160-162．
[4]模具实用技术丛书编委会编．模具材料与使用寿命[M]，北京：机械工业出版社，2000: 169-187.
论文作者:尹绍江,马欣然,任树洋,赵斌,李行,秦坤
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/4
标签：钢种论文; 工艺论文; 组织论文; 硬度论文; 板材论文; 性能论文; 成分论文; 《防护工程》2018年第22期论文;