一種高性能42CrMo4 風電軸承鍛件的制造開發

文／郭亮，王永鋒，秦斌，顧少欽，李少雨，張博·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

本文選取不同化學成分的42CrMo4 鍛件經不同淬火介質熱處理，經過解剖和理化試驗，分析了鍛件表面及心部顯微組織及機械性能，證明在42CrMo4 鋼中添加適量的合金元素如Ni、Mo 等，淬火采用水或3%～5%PAG 淬火介質，冷卻時材料的淬透性能夠達到97.5mm，不僅提高了鍛件的心部屈服強度，而且鍛件心部的-40℃的V 型缺口沖擊性能≥27J，為生產高性能42CrMo4 風電軸承鍛件提供了指導方向。

42CrMo4 屬于中碳合金鋼，具有優良的綜合機械性能，較高的強度和韌性，且較其他中高合金鋼具有價格優勢，常作為齒輪箱中鍛件的首選材料，被廣泛應用于風電、水電、礦山機械、船舶港機等領域。由于齒圈、軸承等鍛件的工況較為惡劣，尤其受交變載荷和沖擊載荷的作用明顯，其使用壽命受零件的強度和沖擊性能影響較大，因此各行業對42CrMo4 齒圈、軸承鍛件的機械性能都提出了較高的要求。例如風電軸承由于其安裝高度高、長期受強風作用和工作環境溫度低等因素影響，加之維修費用高，這就要求風電軸承鍛件在低溫下也要具有較高的韌性，對其綜合機械性能提出了更高的要求。

為了使42CrMo4 軸承心部具有較高的強度，且在低溫下具有較高的沖擊韌性，我們通過對不同化學成分的42CrMo4 鍛件進行不同淬火介質熱處理，經過解剖和理化試驗，分析了鍛件表面及心部顯微組織及機械性能，成功開發了高性能的42CrMo4 風電軸承鍛件，為該材質軸承鍛件的量產提供了一種全新解決方案和思路。

鍛件尺寸及相關技術要求

技術要求

如圖1 所示，某42CrMo4 軸承鍛件的交付尺寸為φ3452mm/φ3096mm×560mm。該產品要求整體鍛造，不允許焊接及補焊。原材料為連鑄圓坯，連鑄坯采用“BOF 或(EBT 或EF)+LF+(VD 或RH)+CCM”工藝進行冶煉制造，其中BOF 為轉爐，EBT 或EF 為電弧爐，LF 為爐外精煉，VD 為真空脫氣，RH 為真空循環脫氣精煉爐，CCM 為連鑄。

圖1 齒圈交付尺寸

鍛件化學成分按客戶要求，夾雜物級別按照GB/T 10561-2005 的A 法 評 定，應 符 合 表1 的規定。鍛件熱處理要求為正火、調質，調質硬度滿足270 ～320HBW，機械性能滿足：抗拉強度≥850MPa，屈服強度≥730MPa，心部屈服強度≥650MPa，伸長率≥14%，斷面收縮率≥50%，-40℃KV2型缺口低溫沖擊功≥27J(三個沖擊值的平均值)，允許有一個沖擊值小于平均值，但應不小于平均值的70%。調質后其組織為回火索氏體。鍛件按照EN 10228-3 進行超聲波檢測檢驗，質量等級滿足4 級要求。

表1 非金屬夾雜物含量

技術難點分析及新工藝方案

根據實際生產經驗，產品經調質后機械性能隨著試樣取樣位置距熱處理表面不同而出現較大差異，即試樣位置距熱處理表面越深，其綜合機械性能越差，尤其是低溫沖擊性能，熱處理截面超過170mm 的產品，其心部強度和低溫沖擊性能均難以滿足技術要求。此次客戶訂購產品的成品壁厚為178mm，熱處理時有效截面厚度約為195mm，心部強度和低溫沖擊均需滿足訂貨條件。該技術要求為我公司首次制造，為了滿足客戶提出的產品技術要求，完全按照產品尺寸試制兩件，以對其工藝進行研究。

成分設計思路及確定試驗材料

文獻表明，C 元素在亞共析鋼中隨著其含量增加，鋼的強度和硬度升高，而塑性和韌性降低；Mn元素增加奧氏體冷卻時的過冷度，提高鋼的淬透性、強度；Cr 元素增加鋼的淬透性并有二次硬化作用，所以在殘余元素含量的要求范圍內可以添加一些，且Cr 元素價格便宜，對總體成本影響較??；Mo 元素阻抑奧氏體到珠光體轉變的能力最強，從而提高鋼的淬透性，能夠降低或者抑止其他合金元素導致的回火脆性，在較高的回火溫度下，形成彌散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用；Ni 能提高鋼的淬透性，同時能阻止晶粒長大而細化鐵素體晶粒，在強度相同的條件下，提高了鋼的塑性和韌性，尤其是低溫韌性，但由于Ni 元素價格貴，所以少許添加。因此，選用普通材料和定煉材料進行試驗對比，普通材料即滿足常規風電軸承鍛件技術要求，定煉材料將C、Mn、Cr、Mo 控制在中上限，同時增加Ni 元素含量在技術要求范圍內中上限水平。

試驗材料采用“電爐+爐外精煉+真空脫氣”工藝進行冶煉，采用連鑄方式制造。從連鑄圓坯切取20mm 的試片進行化學成分檢測，其成分如表2 所示。

表2 42CrMo4 鋼化學成分(wt%)

試驗方法

選取產品規格為φ3452mm/φ3096mm×560mm，且截面為矩形的42CrMo4 環鍛件，分別用A-1、A-2 的原材料，經鍛造、正火后粗車至φ3460mm/φ3066mm×575mm，再沿軸向用鋸床將環鍛件均分成4 段，每2 段為一試驗組，對所有產品鋸開面拋磨去除尖角。42CrMo4 材料的Ac1溫度約為730℃，Ac3溫度約為780℃，淬火和回火溫度參考相關熱處理手冊，結合現場實際生產經驗，然后按照表3 所示試驗方案進行調質處理。

表3 42CrMo4 鋼熱處理方案

方案Ⅰ采用3%～5%PAG 淬火介質冷卻，其中PAG 淬火介質指的是由一種液態的有機聚合物和腐蝕抑制劑組成的水溶性溶液。

方案Ⅱ采用水冷，由于產品熱處理有效截面尺寸為197mm，所以淬火保溫時間為6h，回火保溫時間為9h。按照圖2 進行本體取樣，每段圓弧試樣位置編號依次為1#～12#，并按照GB/T 228.1-2021測試材料的強度、延伸率、斷面收縮率，按照GB/T 229-2020 進行沖擊試驗，試驗溫度為-40℃，按照GB/T 231.1-2018 檢測不同位置試樣的硬度，其余按照產品技術要求進行檢驗。

圖2 鍛件取樣圖

試驗結果

用A-1、A-2 的連鑄圓坯投料的產品，分別按照方案Ⅰ和方案Ⅱ進行熱處理。按照方案Ⅰ處理后，產品表面硬度分別為330HBW、320HBW；按照方案Ⅱ處理后，產品表面硬度則分別為315HBW、325HBW。按照兩種方案處理后的產品，其不同取樣位置理化結果如表4 ～表7 所示。

表4 A-1 按方案Ⅰ調質后42CrMo4 鍛件的機械性能

其中，表4 ～表5 為采用方案Ⅰ處理后的機械性能，表6 ～表7 則是采用方案Ⅱ處理后的機械性能。表4 與表5 的機械性能對比見圖3，表4 與表6 的機械性能對比見圖4。表7 對應的1#、7#、12#試樣的顯微組織照片見圖5，分別為回火索氏體、回火索氏+少量珠光體、回火索氏體+片層狀珠光體；表6 對應的1#、4#、7#、12#試樣的顯微組織照片見圖6，分別為回火索氏體、回火索氏體+片層狀珠光體、回火索氏體+片層狀珠光體、回火索氏體+大量片層珠光體+少量鐵素體。

表5 A-2 按方案Ⅰ調質后42CrMo4 鍛件的機械性能

表6 A-1 按方案Ⅱ調質后42CrMo4 鍛件的機械性能

表7 A-2 按方案Ⅱ調質后42CrMo4 鍛件的機械性能

圖3 同一鋼廠成分不同的原材料經熱處理方案Ⅰ后42CrMo4 鍛件不同位置的機械性能

圖4 同一產品經熱處理方案Ⅰ及熱處理方案Ⅱ后42CrMo4 鍛件不同位置的機械性能

圖5 A-2 按方案Ⅱ調質后42CrMo4 鍛件不同位置的金相組織

圖6 A-1 按方案Ⅱ調質后42CrMo4 鍛件不同位置的金相組織

從表4 ～表7 中可以看出，用A-2 材料鍛造的產品經熱處理后，鍛件不同位置試樣的各機械性能均滿足產品技術要求，而用A-1 材料鍛造的產品經熱處理后，鍛件不同位置試樣強度、延伸率和斷面收縮率等性能滿足產品技術要求，但隨著取樣位置距熱處理表面加深，試樣的低溫沖擊值不能滿足產品技術要求。分別對比同一鋼廠鍛件采用不同方案處理后的機械性能不難發現，用A-1 材料鍛件淬火水冷與用3%～5%PAG 冷的機械性能差別不大，用A-2 材料鍛件淬火水冷與用3%～5%PAG 冷的機械性能相比，強度相差不大，但心部低溫沖擊值明顯提升。采用3%～5%PAG淬火介質或采用水淬火介質處理時，A-2 產品的強度和低溫沖擊均合格。

圖3 描述的是同一鋼廠不同成分，經熱處理方案Ⅰ后42CrMo4 鍛件不同位置的機械性能，其中Rm-1為A-1 的性能，Rm-2 為A-2 的性能。從圖3 中可以看出，A-2 較A-1 制造的鍛件采用同一熱處理制度調質后，屈服強度有所提升，低溫沖擊韌性有明顯改善。圖4 描述的是同一產品經熱處理方案Ⅰ及熱處理方案Ⅱ后42CrMo4 鍛件不同位置的機械性能，其中Rm-1 為A-1 用PAG 淬火介質的性能，Rm-2 為A-1用水淬火介質性能。從圖4 中可以看出，A-1 制造的鍛件采用水淬火介質處理與3%～5%PAG 淬火介質處理對比，兩者抗拉強度、屈服強度、延伸率及斷面收縮率均滿足客戶要求，而采用水介質處理所得的表面位置試樣沖擊韌性有較大提升，但8#、10#、11#、12#心部位置試樣的沖擊功相差不大，即隨著試樣位置距熱處理表面越大，低溫沖擊韌性值變化較小，均未合格。

試驗結果分析

原材料化學成分對低溫沖擊性能的影響

根據表1 所示，A-1 和A-2 的原材料化學成分相比，A-2 原材料的C、Mn、Cr、Mo、Ni 相對較高，尤其是Ni 元素含量較高，經過相同熱處理制度，結合表4 ～表7 結果可知，無論是方案Ⅰ和方案Ⅱ，用A-2 原材料制造的鍛件均滿足產品機械性能要求，明顯優于A-1 原材料制造的產品。

通過圖6 可知，用A-1 普通成分制造的42CrMo4鍛件，經調質后表面所得的組織是回火索氏體，但隨著熱處理表面深度加深，基體組織中逐漸出現少量鐵素體，心部主要以珠光體、鐵素體組織居多，還出現少量貝氏體和回火索氏體。

通過圖5 可知，用A-2 特殊成分制造的42CrMo4鍛件，經調質后表面所得的組織是回火索氏體，心部基本也是回火索氏體，局部出現不超過5%的少量鐵素體。根據GB/T 5216-2014《保證淬透性結構鋼》附錄A 中公式A.1 有關鋼的淬透性計算方法，A-1材料理想臨界直徑為DI=48mm，A-2 材料理想臨界直徑為DI=143.8mm，用A-2 特殊成分制造的鍛件有效熱處理截面為195mm，心部還未達到半馬氏體，表明該材料的淬透層深度大于97.5mm。

淬火介質對低溫沖擊性能的影響

普通成分A-1 材料制造的42CrMo4 鍛件經方案Ⅰ和方案Ⅱ熱處理后，結合圖4 可知，產品的抗拉強度高，屈服強度也高。淬火采用水冷，產品表層得到的低溫沖擊韌性優于經3%～5%PAG淬火介質淬火，但隨著取樣位置加深，兩種淬火介質對低溫沖擊韌性的影響相差不大。從結果來看，主要是因為淬火期間，水的冷卻速度比高分子水劑淬火液冷卻速度快，即水的淬透層深度更深。從鋼的熱處理手冊可知，42CrMo4 在20℃的水溫臨界淬透層深度達58mm，而在油中只能達到40mm。但在實際生產中，鋼的實際臨界淬透尺寸不僅和淬火介質有關，還和物體形狀、物體尺寸、淬火加熱溫度、轉移時間、實際冷卻速度等相關，很多時候實際生產的產品臨界淬透層深度低于材料手冊上的數據。

取樣位置對低溫沖擊性能的影響

從圖3、圖4 中可以看出，鍛件性能數據與試樣深度有很大關系，鍛件的屈服強度和低溫沖擊韌性，隨著距熱處理表面深度加深而降低，這主要是在淬火期間，鍛件表面冷速最快，心部較慢。根據CCT 曲線可知，鋼在不同的冷卻速度下得到的組織不一樣，產品由于有效熱處理尺寸較大，表面冷得快，心部冷得慢，導致在產品不同位置的機械性能和金相組織不同，即越靠近熱處理表面性能越好，遠離熱處理表面性能越差。當超過淬透層深度，金相由回火索氏體變為貝氏體，甚至珠光體+鐵素體。組織決定性能，這也就是為什么不同位置機械性能不同的原因。

結論

⑴在42CrMo4 鋼中添加較多的合金元素，如Ni、Mo 等能夠有效提高材料的淬透性，進而提高產品的心部機械性能，尤其是心部低溫沖擊性能，淬火時采用水冷或采用3%～5%PAG 淬火介質有效淬透層深度達到97.5mm 以上。

⑵普通成分42CrMo4 鍛件，在淬火時采用水冷較采用3%～5%PAG 淬火介質，產品表層得到的低溫沖擊韌性有明顯改善，但隨著取樣位置加深，兩種淬火介質對低溫沖擊韌性的影響相差不大。

⑶普通成分材料制造的42CrMo4 軸承鍛件壁厚較大時，采用水冷和3%～5%PAG 淬火介質處理時，隨著距熱處理表面距離的增加，組織中回火索氏體含量逐漸減少，且當鍛件壁厚較大時，心部金相組織中會有較多的鐵素體+珠光體含量。水淬冷速較快，在實際生產中需要防范產品淬火開裂的風險。

⑷采用A-2 特定的化學成分原材料，淬火時采用水冷或者3%～5%PAG 淬火介質，可以制造出滿足產品高強度、高低溫沖擊韌性的高性能42CrMo4風電軸承鍛件。