42CrMo钢用于高强度螺栓的热处理工艺.docx

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1、42CrMo 钢用于高强度螺栓的热处理工艺乔岳云，郭荣【期刊名称】金属加工：热加工【年(卷),期】2023(000)019【总页数】3在不同气候条件下，用于固定风电塔筒紧固件的性能要求不达标问题逐步显现出来。内蒙古西部地区的风沙较大，风沙侵蚀也较严峻，风电塔筒紧固件就常常达不到强度、硬度等综合性能的要求。本文针对风电塔筒紧固件在大风沙地区的使用环境下， 42CrMo 钢高强度螺栓的综合性能达不到要求这一问题，从调整 42CrMo 钢高强度螺栓淬火加热时的碳势、淬火冷却时的水溶性淬火冷却介质浓度和回火温度入手，通过测定高强度螺栓经热处理后的力学性 能和显微 组织分析等 措施， 最大限度地 提高4

2、2CrMo 钢的综合性能，以满足用于高强螺栓的 42CrMo 钢在特定使用环境下的高要求。1. 试验材料及方法（1） 试验材料 试验原材料是国内某钢厂生产的 40mm 双真空冶炼钢棒料， 该材料经复验后得到的化学成分见表 1。（2） 试验方法 高强度螺栓的加工过程是将 40mm 的棒料经粗车冲压缩颈退火攻螺纹淬火回火性能测试高强度螺栓。其中淬回火工序在托辊型网带炉生产线上进展，具体工艺为：将托辊型网带炉生产线的网带淬火炉升温至400，保温1h，连续升温到600，保温1h，当温度上升到800，开头通入甲醇和丙酮作为保护气氛，以免高强度螺栓外表脱碳及网带淬火炉炉膛被氧化，保温 1h，连续升温到 8

3、60并稳定在这一温度，当碳势稳定在 0.4%时，开头放入待处理高强度螺栓，保温 1.5h本试验高强度螺栓的直径为 36mm，所以保温时间为 1.5h，出炉用水溶性淬火冷却介质进展冷却，然后在指定回火温度下回火，保温2h 同样，利用高强度螺栓的直径为36mm，确定出回火保温时间为 2h，出炉水冷。本文承受正交试验设计出 3 个热处理工艺参数的影响因素，通过正交试验以期找到它们之间的交互影响，确定出各因素的最正确参数。2. 试验结果及分析利用正交试验设计出 42CrMo 钢高强度螺栓进展热处理时的碳势、水溶性淬火冷却介质和回火温度 3 个参数因素及其 3 个水平，见表 2。依据 3 个参数因素及其

4、 3 个水平，利用正交试验设计为 9 组试验来进展。表 3 为 42CrMo 钢高强度螺栓在不同热处理工艺参数下对力学性能影响的试验结果， 表中全部数据均取 38 个试样的平均值。由表 3 可知，当水溶性淬火冷却介质浓度分别为 1%6%、6%12%和12%18%，回火温度分别为 520、530和 540时，42CrMo 钢高强度螺栓的 b 分别为 1158MPa 、 1170MPa 和 1160MPa ， 0.2 分别为1044MPa、1052MPa 和 1046MPa，5 分别为 13.3%、14%和 12.7%，AKU 分别为 84J、88J 和 87J， 分别为 48.3%、51%和 4

5、9.3%。可以看出， 42CrMo 钢的力学性能随着热处理参数水溶性淬火冷却介质浓度和回火温度的上升，呈先上升后下降的趋势，故当水溶性淬火冷却介质浓度为 6%12%， 回火温度为 530时，42CrMo 钢高强度螺栓的性能 b 为 1170MPa，0.2 为 1052MPa，5 为 14%，AKU 为 88J， 为 51%，到达了最大值，其综合性能也最好。同时，争论说明， 42CrMo 钢高强螺栓在淬火加热过程中的碳势主要起保护气作用，抑制高强度螺栓的外表脱碳和阻挡托辊型网带淬火炉炉膛的氧化，一般碳势掌握在 0.4%左右为宜，对高强度螺栓的组织和性能影响不大。（1） 不同热处理工艺参数对 42

6、CrMo 钢显微组织的影响 附图为 42CrMo 钢分别在第一组、第五组和第九组热处理工艺参数下的显微组织。图中的光明基体均为马氏体组织，不规章颗粒或条状组织为贝氏体和铁素体，其中黑色的基体为板条马氏体组织，较为光明的为贝氏体组织，亮点是未溶碳化物或贝氏体组织端部与观看面相截的结果，而铁素体上的亮点图 c 中箭头所指是转变过程析出的碳化物。附图中的贝氏体组织均为无碳贝氏体，但在形态上存在很大差异。图 a 和图 c 中已有常见的无碳贝氏体组织，但更多是针片状，且分布不均匀，存在偏析现 象。而图 b 中，在碳势0.4%、水溶性淬火冷却介质浓度6%12%和回火温度 530热处理工艺参数下，42CrM

7、o 钢的贝氏体组织多为粒状且有相邻贝氏体组织相互连接现象，这说明无碳贝氏体形成的早期不是通常所见的粒状， 而是多为针状，且分布均匀，这是由于在晶界处存在较高的能量和成分起伏， 有利于贝氏体铁素体形核。图 a 和图 c 中无碳贝氏体生长不充分，形成了明显的由晶界处向晶内平行生长的束状贝氏体铁素体。无碳贝氏体的形成，主要是由于 42CrMo 钢在适当浓度的水溶性淬火冷却介质中淬火冷却时，碳在铁素体和奥氏体中的集中力量都较强，当贝氏体、铁素体形核后，其过饱和碳能够快速地集中出去，而且能够长距离集中到奥氏体中， 这样就保证了在贝氏体、铁素体生长时和长成后，其内没有碳化物析出。同时也说明贝氏体、铁素体四

8、周奥氏体的碳含量不过高，否则就会有碳化物析出，使其长生受阻。因此，在适当的碳势、水溶性淬火冷却介质浓度和回火温度等热处理工艺参数下，42CrMo 钢的组织更加细化、均匀化，综合性能也更优。（2） 水溶性淬火冷却介质对 42CrMo 钢力学性能的影响 淬火冷却速度是由水溶性淬火冷却介质的浓度打算的，浓度越低，淬火冷却速度就越快，当水溶性淬火冷却介质的浓度为 1%6%时，淬火冷却速度过快，马氏体组织转变不充分，42CrMo 钢组织中易产生偏析、畸变等缺陷；而浓度为 6%12%时，淬火冷却速度适中，这就给马氏体转变供给了足够的时间，因此也有效削减了工件淬火时产生畸变、开裂等缺陷的时机，组织更均匀，综

9、合性能也更好；当水溶性淬火冷却介质的浓度连续上升时，淬火冷却速度过慢，造成马氏体变得粗大，使其力学性能降低。（3） 回火温度对 42CrMo 钢力学性能的影响 由附图和表 2 可看出，在不同热处理工艺参数下，42CrMo 钢高强度螺栓淬火后的力学性能随回火温度的变化规律具有全都性。其强度、硬度、塑性和韧性取决于组成相的性质和含量，即取决于马氏体和铁素体的强度、硬度、塑性、韧性及其所占体积百分比。在不同温度回火后，其性能仍取决于马氏体回火组织和铁素体的性能。故42CrMo 钢组织在同一临界区温度加热淬火后，力学性能随回火温度的变化规律全都。硬度是表示材料抵抗硬物体压入其外表的力量，它是金属材料的

10、重要性能指标之一。硬度试验是力学性能试验中最简洁易行的一种试验方法。实践证明，金属材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。硬度值是由起始塑性变形抗力和连续塑性变形抗力打算的，硬度值越高，材料的强度越高，塑性变形抗力越高。但是，当硬度到达肯定值时， 42CrMo 钢的脆性增加，其断面收缩率、冲击能量 AKU 和伸长率 5 开头下降，就达不到使用要求。由表 2 可知，随着热处理参数水溶性淬火冷却介质浓度和回火温度的上升，呈先上升后下降的趋势，当回火温度为 530时，其组织和性能最好，这是由于低温回火时，马氏体、铁素体二相强度差异大，易引起应力集中和偏析现象， 致使组织不能均匀化，性能也达不到要

11、求。而 42CrMo 钢高强度螺栓在 530 回火时，二相强度差异减小，有利于改善应力分布和组织的均匀化。当回火温度过高时，42CrMo 钢高强度螺栓的组织脆性过高，导致局部力学性能达不到要求，所以回火温度为 530时，其综合力学性能最好。（4） 回火温度对 42CrMo 钢显微组织的影响 42CrMo 钢高强螺栓经淬火后回火，回火温度对它们的显微组织的影响规律是全都的，组织都经受了从粗大到细小的变化过程。淬火后不同回火过程主要是淬火组织应力的消退、组织的稳定化和基体组织碳化物析出过程。520回火时，组织为回火马氏体、未溶铁素体以及少量的残留奥氏体，低温回火时析出的碳化物较细小。随回火温度的上升，碳原子不断析出，形成碳化物，先析出的碳化物不断长大，形成回火托氏体，到 530时，碳化物连续长大并且粒状化，马氏体转变为铁素体组织， 形成回火索氏体和未溶铁素体，此时钢的强度、硬度下降，塑性以及冲击韧度有较大幅度提高。3. 结语1适当的水溶性淬火冷却介质浓度和回火温度等热处理参数使 42CrMo 钢高强度螺栓的组织得到了细化、均匀化，其综合性能也得到了很大的提高。242CrMo 钢高强度螺栓经第五组热处理加热 860保温 1.5h，碳势0.4%+水溶性淬火冷却介质6%12%冷却+530回火保温 2h+水冷 后的组织均匀化、细化，综合性能也最好。20230415