感應加熱是對鋼棒進行穿透式加熱淬冷，并隨之進行感應加熱透熱高溫回火，可在連續作業生產線上完成的調質工藝，已經被越來越多的應用到各行各業。這種工藝方法對各類中碳鋼（包括低合金鋼）的中小截面尺寸的棒材、管材、軸類零件均適用，具有生產效率高，能耗低，無脫碳氧化，不污染，生產過程極易自動化等特點，特別適于批量生產。為此，我公司引進新型連續式感應加熱調質線以滿足產品結構調整需求，擴大產品覆蓋范圍。由于前期沒有相關的感應加熱調質工藝數據，本文通過對42CrMoS4棒材的調質工藝試驗及組織性能分析確定了熱軋棒材的感應加熱調質工藝。
1.感應加熱調質設備
東北特鋼大連基地引進ELOTHERM公司小棒材感應加熱調質線，可處理規格Φ20～Φ160mm。整條線共有五組線圈，分別由五個完全獨立調節的變頻模塊進行多區控制。每個區的最后一組都是作為一個保溫區，以獲得更好的奧氏體化效果。鋼材冷卻系統采用水冷，由5個淬火水環及一個直線性切斷噴頭組成。鋼材淬火、回火全過程由連續式斜面輥道進行單只連續傳輸，鋼材自旋轉式前進，可以保證鋼材加熱、冷卻的均勻性，得到更好的平直度。
2.試驗工藝
本節介紹的試驗鋼種為東北特鋼大連基地生產的42CrMoS4熱軋棒材，分別選用Ф32mm、Ф65mm兩個規格。生產工藝流程為：連鑄坯→加熱→軋制→矯直→感應加熱調質→檢驗→探傷→成品。鋼材成分見表1。
表1 42CrMoS4化學成分（質量分數） （%）
鋼材調質前狀態為熱軋態，42CrMoS4為亞共析鋼，42CrMoS4鋼Ac3溫度約為780℃，常規熱處理選取淬火溫度一般為850～860℃。但在感應加熱中加熱速度非常快，其臨界點Ac3隨加熱速度的增大而升高，而且我們要考慮奧氏體化的充分性，應適當提高加熱溫度。根據鋼材標準的力學性能要求，既要有一定的強度、硬度，又要有良好的塑性及沖擊韌度，確定鋼材回火溫度應為高溫回火，希望得到更多的回火索氏體。所以我們試驗設定感應加熱調質工藝見表2，我們在已調質的鋼材上取樣檢測縱向力學性能，截取位置為距表面12.5mm處，取樣兩支，檢驗結果及標準性能指標要求見表3。
表2 42CrMoS4感應加熱調質工藝
表3 力學性能指標及檢驗結果
3.組織性能分析
從試驗結果來看，力學性能符合標準要求，Ф35mm由于規格較小，在淬火過程中全截面都可以達到很快的冷卻速度，我們取其調質后半徑1/2位置的金相組織（如圖1所示），我們可以得到較為均勻的回火索氏體組織，未見貝氏體組織及塊狀鐵素體出現。對于Ф65mm規格我們取樣分別觀察鋼材橫截面上不同位置的金相組織，靠近表面位置為比較均勻的回火索氏體（距表面距離≤15mm以內），如圖2所示。
隨著距表面距離的增加逐漸有貝氏體出現，圖3為距表面16mm處組織，回火索氏體＋少量貝氏體組織，圖4為距表面25mm處組織，回火索氏體＋貝氏體＋少量鐵素體。由于鋼材在淬水冷卻過程中隨著鋼材橫截面深度的增加，冷卻強度逐漸下降，越往心部冷卻速度越慢，當小于馬氏體轉變臨界冷卻速度就會析出貝氏體。
如圖5所示，42CrMo鋼奧氏體連續冷卻轉變曲線可以看出，過冷奧氏體轉變同時存在珠光體區和貝氏體區，但貝氏體區超前于珠光體轉變區。在設備現有冷卻條件下，小直徑棒材連續冷卻過程中心部不會有先共析鐵素體析出，因此圖4中的鐵素體相是由于加熱過程中心部位置加熱保溫不足造成的，從鐵素體分布情況也可以做出明確判斷。但總體來說不論從力學性能檢測情況及金相組織情況來看，均可以滿足性能要求。
圖1 1/2R區域（500×）
圖2 近表面區域（500×）
圖3 距表面16 mm區域（500×）
圖4 距表面25mm區域（500×）
圖5 42CrMo CCT曲線
4.結語
（1）對于感應加熱淬火＋回火連續熱處理線，由于其加熱的物理特性均可以達到很快的加熱速度，我們需應采用比傳統加熱方式更高的淬火及回火溫度，當采用不同的加熱速度時也應做出相應的調整。
（2）對于試驗的Φ65mm規格熱軋材，從表面到心部逐漸出現貝氏體，少量塊狀鐵素體，是因為冷卻強度不夠及加熱保溫不足造成的，但鋼材調質性能完全滿足標準要求，當材料提出更高的力學性能要求，我們可通過適當提高冷卻強度或適當降低鋼材通過速度來延長鋼材保溫時間以獲得更好的金相組織及綜合力學性能。
（3）我們目前制定的感應加熱調質工藝完全可以滿足產品的力學性能要求。
作者：郭東旭，王海巖，郭書奇
單位：東北特鋼集團大連特鋼技術中心
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
| |