模具材料42CrMo钢的性质及焊接.doc

42CrMo钢的性质及焊接工艺芜湖职业技术学院 贺闪闪 90102102摘要：42CrMo钢是一种有多种金属元素组成的合金钢。属于超高强钢，具有高强度和韧性，淬火时变形小，高温时又高的蠕变强度和持久强度，可焊性较差。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调制截面更大的锻件。关键词：合金化 热处理 机械性能 焊接引言：随着时代的发展，我国的科技越来越发达，模具工业也是有一个突飞猛进的发展。42CrMo主要用于机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也用于 2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。 但由于其焊接性较差，焊接时容易出下问题，因此探讨一套合理的焊接工艺十分必要。一42CrMo的性质1 合金化原理42CrMo的化学成分见表1 与42CrMo相对应的日本牌号：SCM440 对应德国牌号：42CrMo4 近似对应美国牌号：4140表1 42CrMo钢的化学成分%元素CSiMnSPCrNiCuMo含量%0.38 0.450.17 0.370.50 0.800.0350.035 0.90 1.200.0300.0300.150.2542CrMo中各个金属元素分别起到固溶强化改善回火稳定性韧性，具体分析如下： 碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对42CrMo钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。加入Cr、Mo元素主要是提高钢的淬透性。淬火加热时，Cr、Mo元素完全固溶于奥氏体中提高钢的淬透性。淬火后，Cr、Mo元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。高温回火时，部分Cr、Mo元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体Fe3C中形成合金渗碳体（Cr、Mo、Fe）3C。另外Mo元素的加入可消除回火脆性。加入少量的Ni元素可改善钢的韧性。铌是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。2 热处理工艺退火76010退火，炉冷至400空冷。 HB220-230 正火86010正火，出炉空冷。 调质84010淬水或油（视产品型状复杂程度），680-700度回火。 HB217 调质84010淬油，再470度回火处理。 HRC41-45 调质84010淬油，再480度回火处理。 HRC35-45调质850淬油，再510度回火处理。 HRC38-42 调质850淬油，再500度回火处理。 HRC40-43 调质850淬油，再510回火处理。 HRC36-42 调质850淬油，再560回火处理。 HRC32-36 调质860淬油，再390度回火处理。 42CrMo钢的热处理示于表项目正火高温回火淬火淬火回火感应淬火回火温度850900680700820840840880450670900150180冷却空气空气水油油或空气乳化液空冷硬度HRC217表面HRC53HRC503 机械性能抗拉强度 b (MPa)：1080(110) 屈服强度 s (MPa)：930(95) 伸长率 5 ()：12 断面收缩率 ()：45 1 冲击功 Akv (J)：63 冲击韧性值 kv (J/cm2)：78(8) 硬度 ：217HB 试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm二焊接工艺1 42CrMo钢焊接性能分析42CrMo钢是中碳调质高强钢，钢的Ceq值高达 0.893%，可焊性较差。由于母材金属中含碳量高，在焊接过程中，母材金属的一部分要熔化到焊缝金属中去，致使焊层金属含碳量增高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏析倾向也较大，加之含硫杂质和气孔的影响，容易在焊层金属中引起热裂纹。特别是在收尾处，裂纹更为敏感。热裂纹的特征是裂纹垂直于焊缝鱼鳞状波纹，呈现不明显的锯齿形，但也有沿焊缝金属与基体金属交界处发展产生。为防止产生热裂纹，要求采用低碳钢焊丝，一般焊丝中含碳量在0.15%以下。42CrMo钢淬硬倾向性大，母材金属热影响区容易产生低塑性的淬硬组织，Ms点又低，因而在淬火区产生大量脆硬的马氏体，导致严重脆化，工件愈厚，则淬硬倾向愈大。该焊件刚性大，若焊条或焊接工艺选用不当，在焊件冷却至300以下时，容易沿热影响区的淬硬区产生冷裂纹。42CrMo钢的焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，在Ms点附近或200300的温度区间产生的。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹有时焊后立即出现，有时经过一段时间才出现。而延迟裂纹的危害性更为严重，实践证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头的氢含量及其分布，以及焊接接头的拘束应力状态是产生延迟裂纹的三大主要因素。焊接接头的淬硬倾向主要取决于钢种的化学成分，其次是结构形式，焊接工艺和冷却条件等。可以采取焊后后热和缓冷等办法来调整冷却时间。适当延长临界冷却时间Cf可降低钢的淬硬倾向。2.1 预热基层间温度的选择为了有效地防止42CrMo高强度钢焊接冷裂纹的产生，预热是非常必要的。预热可以减缓焊接接头的冷却速度，适当延长800500的冷却时间，从而减少或避免淬火组织，同时也有利于氢的逸出。预热温度的确定，主要与焊缝金属中的扩散氢含量、坡口形式、母材化学成分、焊接构件的拘束度大小等因素有关。对预热温度To的估算有多种由碳当量法公式：To=360Ceq (1)求得To为321。由中碳钢预热公式：To=550(C0.12) 0.4h (2)式中 C母材含碳量，；，h母材厚度，mm。求得To为206。由下列公式：To=324 Pcm+17.7H+0.14 b+4.72h-214 （3）式中Pcm化学成分的冷裂纹敏感指数，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10=0.585；H熔敷金属中扩散氢含量，mL/100g；b母材抗拉强度，MPa。求得To为258。参照以上求出的预热温度，最后确定采用整体预热(应用车间井式加热炉)，预热温度为400。有的部分采用多层焊时，由于次层对前层有消氢作用，能改善前层焊缝和热影响区的淬硬组织。但如果不严格控制后热和层间温度，则会因氢量的逐层累积导致延迟裂纹的倾向更大。为了满足不致产生裂纹的施工条件，即焊接层的实际冷却时间t100应大于产生裂纹的临界冷却时间tcr。在整个施焊过程中，用履带式加热器进行保温，使层间温度控制在(35020)的范围内。2.2 后热温度的确定焊后及时进行热处理可减少或消除焊接残余内应力，改善焊层的显微组织，并可加速焊缝中的氢向外扩散。后热对中碳调质钢的热影响区和焊缝组织还具有韧化效果。为了使焊缝金属中扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区中的氢含量，工件一般应在焊后立即进行消氢处理。在实际焊接生产中常采用较高温度的去应力退火处理，可使焊层和热影响区的扩散氢含量及内应力降至很低的水平，从而达到避免出现延迟裂纹的目的。为此，选择及时进行600650的焊后去应力退火处理工艺。2.3 焊接工艺的评定为了验证上述工艺参数是否合适，以该42CrMo齿轮轴的调质夹头作试件，进行堆焊裂纹试验。预热温度为400，焊后进行600650去应力退火处理试验，试件放置48h后进行磁粉探伤检查，未发现裂纹。依据GB2652-89堆焊金属拉伸试验法，在调质夹头上截取拉伸试样，测得b为95MPa，s为90MPa；依据GB2654-89堆焊金属硬度试验法，在调质夹头上将焊层表面磨光，测得硬度为HB200。上述力学性能数据，与原图纸要求材质35CrMo的强度相当，证明所选工艺参数是合理的。2.4 焊接过程应注意的问题(1)焊前严格清除工件表面的油污、铁锈、水渍和毛刺。(2)将工件整体装入井式加热炉中预热，预热温度为400，升温速度80/h，保温4h。(3)焊条使用前经350400烘干，保温2h，然后放入保温筒内，随用随取。(4)采用直流反接(即工件接负极)，焊接电流180220A，电流电压2325V，焊接速度180190mm/min。(5)在施焊过程中采用履带式加热器保温，由两名焊工在两侧对称施焊，整个焊接过程连续进行，中途不得中断，并力求缩短各层(道)焊缝的焊接间隔时间，选用灵敏度高、精度好的测量仪监测温度变化，控制层间温度在(35020)的范围内。在不产生裂纹的情况下，每个焊层尽量簿，一般不大于焊条直径，每条焊道的引弧、收弧处要错开，收弧时填满弧坑。对每层焊道进行认真检查，对已产生的气孔、裂纹等缺陷须彻底清除后，再重新进行焊接。(6)为了减小焊接应力，用锤头圆角为1.01.5mm的风铲逐层锤击焊道表面，相邻两焊层间的锤击方向要相反。600650(7)整个工件堆焊完毕后，在工件冷却至350以前置于400的井式炉中，升温至600650，保温4h，随炉冷却至150后取出空冷。升温速度为80/h。（8)去应力退火后,对堆焊表面进行磁粉探伤检查,未发现裂纹等缺陷,机械加工后也未发现裂纹。3结论3.1 采用手工电弧焊方法对中碳调质钢进行堆焊，首先要选择合适的焊接材料堆焊。实践证明，选用力学性能综合指标均较母材力学性能综合指标