4340钢与40CrNiMo钢的热处理特点

廖庚峰,李 丰,胡立嵩,黄家瑞,李彩虹,万 谦

(江西洪都航空工业集团有限责任公司,江西 南昌 330095)

4340与40CrNiMo为两种性能优良的调质钢,具有良好的淬透性,淬火组织为90%马氏体时,油淬临界直径55～66 mm,能制作大截面零件;在调质状态下使用时,具有良好的强度和韧性,同时淬火后低温回火也能获得良好的综合力学性能,可作超高强度钢使用[1-2]。4340钢与40CrNiMo钢为两种相似材料,但主要合金元素Ni、Mo含量略有差别,4340钢与40CrNi2Mo钢元素含量更为相近,三种材料的主要化学成分见表1。4340钢与40CrNiMo钢在航空制造企业都有使用,在日常工作中容易混淆,错误认为“4340钢就是40CrNiMo钢”,在相同的热处理工艺下,两种材料的机械性能有明显的差别。本文研究两种材料的常用热处理工艺与性能,以便给日常工作提供参考与借鉴。

表1 三种材料的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of three materials (mass fraction,%)

1 试验材料与方法

试验材料为原材料状态为正火+高温回火的4340钢和原材料状态为退火的40CrNiMo钢,制作成φ25 mm×20 mm的硬度试样,两种试验材料实测化学成分见表2。试样的热处理工艺为：840 ℃完全退火和900 ℃正火热处理;在760、780、800、830、850和870 ℃温度下奥氏体化,油冷,其中850 ℃奥氏体化后的试样采用不同的冷却介质(普通淬火油、快速淬火油、清水、盐水、硝盐)进行冷却;在496 ℃回火保温1.5 h和4 h,670 ℃回火保温1.5 h。

表2 两种材料实测化学成分(质量分数,%)Table 2 Measured chemical composition of two materials (mass fraction,%)

采用HR-150A洛氏硬度计检测退火、正火、淬火、回火试样的硬度值,采用LEICA DMI5000M金相显微镜观察试样淬、回火组织。

2 试验结果及分析

2.1 退火、正火硬度与分析

采用洛氏硬度计检测原材料状态为正火+高温回火的4340钢的硬度为25.0～27.0 HRC,原材料为退火状态的40CrNiMo钢的硬度为160～184 HB,均符合标准规定的退火或高温回火后硬度≤269 HB的要求。

两种试样同炉进行热处理,经过840 ℃完全退火后,4340钢的硬度为32.0 HRC, 40CrNiMo钢的硬度<180 HB;900 ℃正火,4340钢的硬度为49.0 HRC,40CrNiMo钢的硬度为31.0 HRC。两种材料完全退火或正火后硬度差别非常大。

4340和40CrNiMo两种材料的含碳量均在0.4%左右,合金元素Cr、Si、Mn含量也相近,但4340钢中的Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo钢。两种材料的Ac3在760～810 ℃之间,完全退火和正火工艺均在Ac3以上,在奥氏体化后的冷却过程中,合金元素使C曲线右移,4340钢具有比40CrNiMo钢更小的临界冷却速度(图1、图2、图3、图4)[1-2],因此4340钢在一定的冷却速度下,很难发生珠光体转变,易发生贝氏体、马氏体转变。840 ℃完全退火炉冷过程中,700 ℃时冷却速度<1.2 ℃/min,560 ℃时冷却速度<0.5 ℃/min,冷却至400 ℃以下出炉,40CrNiMo钢已经全部发生珠光体转变;而4340钢的珠光体转变不完全,发生部分的贝氏体转变。如果4340钢需要全部发生珠光体转变,硬度<269 HB,需严格控制高温转变冷却速度,705～565 ℃温度下冷却速度8 ℃/h,或在650 ℃等温8 h,也可采用等温球化退火工艺,见图5。4340钢完全退火或球化退火的时间都比较长,生产效率较慢,经济效益差,因此4340钢的原材料通常采用高回状态供应。

图1 4340钢的等温转变曲线Fig.1 Isothermal transition curve of 4340 steel

图2 40CrNiMo钢的等温转变曲线Fig.2 Isothermal transition curve of 40CrNiMo steel

图3 4340钢的连续冷却转变曲线Fig.3 Continuous cooling transition curve of 4340 steel

图4 40CrNiMo钢的连续冷却转变曲线Fig.4 Continuous cooling transition curve of 40CrNiMo steel

图5 4340钢的球化退火工艺Fig.5 Spheroidization annealing process for 4340 steel

2.2 淬火硬度与分析

退火态和正火态4340钢与40CrNiMo钢分别在760、780、800、830、850和870 ℃温度下淬火,油冷后试样的硬度见图6。由图6可知,淬火温度为760～870 ℃时,退火态和正火态4340钢的硬度在54.5～56.0 HRC之间。淬火温度为760 ℃时,退火态和正火态40CrNiMo钢的硬度分别为45.0和49.5 HRC,淬火温度为780～870 ℃时,退火态和正火态40CrNiMo钢的硬度在53.0～53.5 HRC之间。4340与40CrNiMo为两种相似材料,50%马氏体硬度为45.0 HRC,90%马氏体硬度为53.0 HRC,两种材料淬火后的表面硬度应≥53.0 HRC,因此40CrNiMo钢在760 ℃淬火油冷后的表面硬度不满足要求。

图6 不同淬火温度下试样的硬度Fig.6 Hardness of sample at different quenching temperatures

影响淬火硬度的因素有淬硬性、加热温度、保温时间和冷却方式等,淬火一般加热到Ac3以上,充分奥氏体化后迅速冷却到MS以下,以获得马氏体组织。4340钢和40CrNiMo钢的Ac3为760～810 ℃,除了合金元素对Ac3有影响外,试样的原始组织对Ac3也有影响,比如细片状珠光体比球状珠光体更容易获得奥氏体组织。40CrNiMo钢在760 ℃加热时,正火态试样的淬火硬度高于退火态。4340钢与40CrNiMo钢均含有Cr、Ni、Mo等合金元素,淬透性较好,能以较低的冷却速度获得马氏体组织,同时合金元素还能阻碍晶粒的长大,试样充分奥氏体化后,在一定范围内加热温度对淬火硬度几乎没有影响[3]。由于4340钢中的Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo钢,所以4340钢的临界冷却速度和Ms低于40CrNiMo钢,在相同冷却速度下,4340钢的淬火硬度略高于40CrNiMo钢。

4340钢与40CrNiMo钢经850 ℃奥氏体化后,分别采用不同的冷却介质进行冷却,试样的硬度见表3。采用普通淬火油、快速淬火油和清水冷却时,试样的淬火硬度没有明显差别。这是因为淬火冷却速度与淬火介质的淬火烈度、搅拌速度、冷却方式等因素有关,而4340钢和40CrNiMo钢有较低的临界冷却速度和较宽的临界冷却速度带,在一定的冷却速度下,淬火硬度没有明显差别。采用10%盐水淬火冷却时,试样的淬火硬度约为60.0 HRC,极快的淬火冷却速度下,马氏体具有更高的过饱和固溶度。采用190 ℃硝盐槽中保温40 min的冷却方式,4340钢和40CrNiMo钢的淬火硬度分别为53.0 HRC和51.5 HRC,在190 ℃硝盐中冷却得到马氏体和少量贝氏体,在205 ℃低温回火后可用于需要超高强度的零件。

表3 不同冷却介质下试样的淬火硬度(HRC)Table 3 Quenching hardness of sample at different cooling media

2.3 回火硬度与分析

不同淬火状态的试样在496 ℃回火1.5 h和4 h,回火后试样硬度值见表4。由表4可知,4340钢的回火硬度在40.5～42.0 HRC之间,40CrNiMo钢的回火硬度在34.0～40.0 HRC之间;相同的淬、回火工艺下,4340钢的硬度均高于40CrNiMo钢;回火时间对两种材料的硬度影响比较小。并对850 ℃淬火、油冷试样进行670 ℃高温回火保温1.5 h,4340与40CrNiMo试样的硬度分别为28.0 HRC和26.5 HRC。

表4 不同热处理状态试样的回火硬度(HRC)Table 4 Tempering hardness of sample in different heat treatment states

回火硬度与淬火硬度、回火温度、回火时间和合金元素等因素有关,受Cr、Mo元素的影响,496 ℃正好是合金碳化物析出温度。由于496 ℃回火温度较低,弥散未长大的碳化物补偿了亚结构变化造成的硬度降低,同时还有二次硬化作用,因此496 ℃回火后试样的硬度降低不明显,且回火时间对硬度影响较小。

2.4 金相组织

图7为不同热处理状态试样的金相组织。图7(a)为退火态40CrNiMo原材料的金相组织,根据铁素体形貌和碳化物颗粒,可推断为热轧后不完全退火,碳化物颗粒长大明显,硬度较低,为160～180 HB;完全退火态4340原材料的组织为细片状珠光体+铁素体,硬度较高,为32.0 HRC,见图7(b)。900 ℃正火后40CrNiMo钢的组织为铁素体+索氏体+贝氏体的混合组织,见图7(c);而4340钢因有较低的临界冷却速度,900 ℃正火后得到了马氏体,硬度高达49.0 HRC,由于合金中含有Mo元素,正火后马氏体长大不明显,见图7(d)。淬火温度一般在Ac3以上30～50 ℃,得到隐针状马氏体和少量的铁素体组织。因退火态40CrNiMo原材料的退火组织提高了Ac3,在760 ℃加热不能完全奥氏体化,还有较多未溶铁素体组织,见图7(e),淬火后硬度为45.0 HRC,近似50%马氏体硬度。两种材料经670 ℃高温回火后的组织均为索氏体,析出的碳化物长大成颗粒状,强度、硬度较低,但塑性、韧性较高,见图7(g)、7(h)。两种材料在850 ℃淬火加热后,转移至190 ℃硝盐中保温40 min,获得马氏体和极少的贝氏体组织,与油冷所得到马氏体略有差别,几乎没有针状马氏体,多为板条状马氏体;另外,奥氏体在连续冷却过程中,因温度较高,碳发生了扩散、转移,造成淬火马氏体含碳量降低,马氏体硬度较低[4-6]。

(a)退火态40CrNiMo原材料;(b)完全退火态4340原材料;(c)40CrNiMo钢,900 ℃正火;(d)4340钢,900 ℃正火(e)40CrNiMo钢,760 ℃淬火+496 ℃回火;(f)4340钢,760 ℃淬火+496 ℃回火;(g)40CrNiMo钢,850 ℃淬火+670 ℃回火;(h)4340钢,850 ℃淬火+ 670 ℃回火;(i)40CrNiMo钢,190 ℃等温;(j)4340钢,190 ℃等温图7 不同热处理状态试样的金相组织(a)annealed 40CrNiMo raw material;(b)fully annealed 4340 raw material;(c)40CrNiMo steel, normalized at 900 ℃;(d)4340 steel, normalized at 900 ℃;(e)40CrNiMo steel,quenched at 760 ℃+tempered at 496 ℃;(f)4340 steel,quenched at 760 ℃+tempered at 496 ℃;(g)40CrNiMo steel,quenched at 850 ℃ +tempered at 670 ℃;(h)4340 steel,quenched at 850 ℃+tempered at 670 ℃;(i)40CrNiMo steel, 190 ℃ isothermal;(j)4340 steel,190 ℃ isothermalFig.7 Microstructure of sample in different heat treatment states

3 结论

1)4340钢中Ni、Mo元素含量略高于40CrNiMo钢,但C曲线右移,发生珠光体转变需要较低的冷却速度,840 ℃加热随炉冷至400 ℃以下出炉的完全退火后,4340钢的硬度为32.0 HRC,而40CrNiMo钢的硬度<180 HB。

2)4340钢与40CrNiMo钢均有较高的淬透性,但4340钢的临界冷却速度低于40CrNiMo钢,在900 ℃正火后,4340钢获得马氏体组织,硬度为49.0 HRC;而40CrNiMo钢正火组织为铁素体+索氏体+贝氏体的混合组织,硬度为31.0 HRC。

3)在780～870 ℃淬火温度下,4340钢与40CrNiMo钢均已经完全奥氏体化,且合金元素有阻碍晶粒长大的作用,故在780～870 ℃温度范围内,加热温度对淬火硬度没有影响。

4)在相同的淬、回火工艺下,4340钢的硬度略高于40CrNiMo钢,这是因为4340钢具有比40CrNiMo钢更低的临界冷却速度和Ms。