轨道交通紧固件用钢42CrMo的优化试验研究

Optimization Experimental Research on 42CrMo Steel Used in the Fastener for Rail Transportation

摘要: 高强高韧42CrMo钢是轨道交通紧固件的重要用钢之一。本文基于一种成分优化的42CrMo钢，对其进行淬火和回火处理(850℃油淬，530℃回火)，进而进行了机械性能及断口形貌分析。研究表明：42CrMo钢经热处理后主要组织为回火索氏体；钢中氧含量显著影响钢的冲击韧性，钢中氧含量越高，其冲击韧性越差；钢中夹杂物数目越多，其冲击韧性越差，且当钢中含有氧化铝夹杂时，钢的冲击韧性明显降低。

Abstract: 42CrMo steel with high strength and high toughness is one of the important steels used in the fas-tener of rail transportation. In this paper, for a component optimization of 42CrMo steel after quenching and tempering treatment (oil quenching at 850˚C, tempering at 530˚C), the mechanical properties and fracture morphology were analyzed. The experimental results show that the 42CrMo steel after heat treatment was mainly composed of tempered sorbate; the oxygen content in the steel significantly influences the impact toughness of the steel, the higher the oxygen content, the lower impact toughness; inclusion has an obvious effect on the impact toughness of the steel, the more inclusions, the worse impact toughness.

1. 引言

随着我国高速铁路建设事业的飞速发展，高速列车的安全稳定运行日益成为社会各界关注的焦点问题之一。就高速列车所使用的高强紧固件而言，受高速列车使用环境的影响，其性能对高速列车的安全性能具有重要的影响。42CrMo钢强度高，淬透性好，其广泛用于齿轮、螺杆、曲轴及大截面轴类零件的制造，特别是在高强度紧固件的制造中更是占有重要地位 [1] - [3] 。然而当前国产42CrMo钢仍存在强韧性匹配不足问题，即钢的强度能达到要求，但是钢的韧性不达标 [4] 。本文通过成分设计调整42CrMo钢的各元素含量，考察优化后42CrMo钢的微观组织及其机械性能，在此基础上进一步分析了42CrMo钢中氧含量和夹杂物对其冲击韧性的影响。

2. 实验原料及方法

本次实验采用马钢某分厂200 Kg中频感应炉进行冶炼，实验所用原料为废钢。首先将废钢加入到中频感应炉内，待其全部熔化后取样测得其成分，根据42CrMo钢的成分设计加入相应量的合金元素和脱氧剂，成分合格后浇铸成圆锭，利用金属原位分析仪和氧氢氮分析仪对其进行成分检测，各组实验钢成分见表1所示。将所得圆锭进行粗锻和细锻，粗锻为锻造成直径为50 mm的圆棒，细锻为进一步锻造成直径25 mm的圆棒，锻造完成后空冷。初锻温度为1050℃，终锻温度为850℃。将锻好的圆棒进行热处理，在850℃下油淬，并在530℃下回火 [5] ，最终将热处理后的圆棒进行精加工，得到国家检测标准试样。

3. 实验结果分析

3.1. 42CrMo钢的显微组织

将经过热处理后的九组42CrMo钢各截取一小段试样，经粗磨、细磨、抛光和侵蚀后观察其显微组织，结果如图1所示。

由图1可知，热处理后的九组42CrMo实验钢显微组织均为回火索氏体。其仍保留着原马氏体板条形态，并且有明显的碳化物析出。回火索氏体具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度，满足42CrMo钢的设计要求。

Table 1. Components of 42CrMo steel ([O], [N] ppm, others%)

表1. 42CrMo钢的成分([O]、[N]为ppm，其余%)

1#显微组织 2#显微组织 3#显微组织 4#显微组织 5#显微组织 6#显微组织 7#显微组织 8#显微组织 9#显微组织

Figure 1. Microstructure of 42CrMo steel

图1. 42CrMo钢的微观组织

3.2. 42CrMo钢的机械性能

本次实验对九组42CrMo实验钢的抗拉强度Rm、屈服强度Rel、断面伸长率、常温冲击功及低温冲击功进行了测试，其结果见表2所示。

从表2可以看出，九组42CrMo实验钢的抗拉强度基本在1100 MPa左右，其中的2#和5#42CrMo实验钢的抗拉强度达到了1130 MPa以上，而8#42CrMo实验钢的抗拉强度较低，只有1083 MPa。从冲击功来看，在−80℃时，2#和6#42CrMo实验钢的冲击功较低，冲击韧性较差，而8#和9#42CrMo实验钢的冲击功达到50J和42J，相比于其他七组42CrMo实验钢要好。通过对比各组成分发现，8#和9#42CrMo实验钢的氧含量只有54.7 ppm和59.1 ppm，其他组的氧含量都比较高，其中1#、2#、6#的氧含量达到了100 ppm以上，可见钢中氧含量对钢的冲击韧性有很大影响，钢中氧含量越高，其冲击韧性越差，这主要是由于钢中氧通常以氧化物的形式存在，这些氧化物在钢中会形成非金属夹杂，降低钢的强度或韧性，对钢的机械性能产生不利影响。

3.3. 42CrMo实验钢冲击断口形貌分析

为了进一步研究钢中氧对冲击韧性的影响，对42CrMo实验钢冲击断口进行扫描电镜分析，观察九组实验钢的断口形貌，结果见图2。

通过观察九组42CrMo实验钢冲击断口形貌发现：各试样的断口均为微孔聚集型，断口遍布大小不一的韧窝，以韧性变形为主，具有明显的韧性断裂特征，并且在各微孔底部均可见有夹杂物存在。5#、8#、9#42CrMo实验钢的的冲击断口形貌上韧窝数量较多，且分布均匀，而1#、2#、3#和4#42CrMo实验钢的韧窝数量较少，6#和7#42CrMo实验钢的韧窝分布比较杂乱，并且在1#、2#和6#42CrMo实验钢的韧窝底部明显有大尺寸的夹杂物存在。由此可知在42CrMo实验钢的冲击试验过程中，裂纹首先从夹杂物附近产生，然后扩大，最后导致了试样的断裂。为了进一步分析钢的冲击韧性与夹杂物的关系，实验对9组42CrMo钢进行了夹杂物的评级和夹杂物成分分析，结果见表3和表4。

由表3和表4可知，九组42CrMo实验钢中，以环状氧化物夹杂(Ｄ类)为主，并且部分试验钢还含有硅酸盐类夹杂(C类)、硫化物夹杂(A类)和氧化铝夹杂(B类)。钢中氧含量的高低决定了钢中夹杂物评级的高低，1#、2#和6#的氧含量较高，夹杂物评级较高，使得这三组钢的冲击韧性也较差，印证了钢中氧含量与钢的冲击韧性之间关系的分析。其中2#和6#实验钢中还含有氧化铝夹杂，而2#和6#实验钢的冲

Table 2. The mechanical properties of 42CrMo steel

表2. 42CrMo实验钢的力学性能

1#实验钢断口形貌 2#实验钢断口形貌 3#实验钢断口形貌 4#实验钢断口形貌 5#实验钢断口形貌 6#实验钢断口形貌 7#实验钢断口形貌 8#实验钢断口形貌 9#实验钢断口形貌

Figure 2. The impact fracture morphology of 42CrMo steel

图2. 42CrMo实验钢冲击断口形貌

Table 3. Inclusion rating of 42CrMo steel

表3. 42CrMo实验钢的夹杂物评级

Table 4. Inclusion type of 42CrMo steel

表4. 42CrMo实验钢的夹杂物类型

击韧性也是最差的两组，这表明氧化铝夹杂对钢的冲击韧性影响最明显，氧化铝夹杂越多，42CrMo钢的冲击韧性越差。这主要是因为氧化铝为脆性夹杂，在42CrMo钢的内部作为一种亚微观的缺陷存在，在外应力的作用下，容易在氧化铝夹杂的周围萌生微裂纹，受力的情况下容易使微裂纹进入基体内，从而造成断裂。

4. 结论

(1) 42CrMo钢经850℃油淬和530℃高温回火后，其组织主要为回火索氏体。

(2) 九组实验钢的断口主要为微孔聚集型，各微孔的底部都含有夹杂物，这些夹杂物引起了钢的韧性断裂。

(3) 钢中氧含量的高低能明显影响钢的冲击韧性，氧含量越高，含氧夹杂物就越多，钢的冲击韧性也随之变差，当钢中含有氧化铝夹杂时，钢的冲击韧性则大幅降低。

基金项目

安徽省科技攻关重大项目(项目编号：1301021008)。