原始組織對60Si2Mn鋼亞溫淬火組織及力學(xué)性能的影響

凌文丹 王海瑞 李小飛

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 454003)

亞溫淬火是將亞共析結(jié)構(gòu)鋼加熱至鐵素體與奧氏體兩相共存的臨界區(qū)溫度區(qū)間，并保溫一定的時間，然后進(jìn)行淬火的一種熱處理工藝。亞溫淬火加熱溫度較低，能顯著提高鋼的強(qiáng)韌性，有效抑制回火脆性。同時加熱溫度較低，可使工件的氧化脫碳、變形、開裂明顯減少。

60Si2Mn 鋼亞溫淬火前經(jīng)不同的預(yù)處理，得到了不同的原始組織。本文研究原始組織對60Si2Mn 鋼亞溫淬火后組織、力學(xué)性能的影響，為60Si2Mn 鋼亞溫淬火最佳工藝的制定提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為首鋼生產(chǎn)的60Si2Mn 鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.59，Si 1.75，Mn 0.75，Cr 0.32，Ni 0.30，S 0.035，P 0.032。供貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，尺寸為?16 mm 的棒料。

試樣分為硬度試塊、拉伸試棒和沖擊試樣三種，以方便進(jìn)行力學(xué)性能試驗和顯微組織分析。硬度試塊的尺寸為?16 mm×25 mm。拉伸試棒采用d0=10 mm、L0=5d0的短試棒。沖擊試樣采用10 mm×10 mm×50 mm V 形缺口試樣。6 0Si2Mn 鋼試樣經(jīng)不同預(yù)處理獲得四種原始組織，預(yù)處理工藝如下：

(1)熱軋態(tài)：即供貨態(tài)，不需要進(jìn)行預(yù)處理。

(2)正火態(tài)：加熱溫度870℃，保溫20 min，空冷至室溫。

(3)淬火態(tài)：淬火溫度870℃，保溫20 min，淬火介質(zhì)為油，不回火。

(4)調(diào)質(zhì)態(tài)：淬火溫度870℃，保溫20 min，淬火介質(zhì)為油，回火溫度510℃，保溫40 min。

1.2 試驗方法

使用SDTQ600 型差熱分析儀進(jìn)行DTA 分析，測定熱軋態(tài)60Si2Mn 鋼的相變臨界溫度。

試樣在人工智能箱式電阻爐(型號：SGM2853H)中加熱。60Si2Mn 鋼常規(guī)完全淬火工藝如下：淬火溫度870℃，保溫20 min，淬火介質(zhì)為油;回火溫度480℃，保溫40 min。

為分析原始組織對60Si2Mn 鋼亞溫淬火效果的影響，選用熱軋態(tài)、正火態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)和淬火態(tài)四種原始組織的試樣分別進(jìn)行800℃亞溫淬火。800℃亞溫淬火工藝參數(shù)如下：淬火溫度800℃，淬火保溫時間20 min，淬火介質(zhì)為油，回火溫度460℃，回火保溫時間40 min。

每個溫度點先處理硬度試塊、拉伸試棒和沖擊試樣各3 個，分別取其平均值作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 臨界溫度和力學(xué)性能

正火態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)60Si2Mn 鋼的DTA 曲線見圖1。60Si2Mn 鋼的DTA 分析結(jié)果見表1。

力學(xué)性能試驗結(jié)果見圖2。

從圖2 可以看出，60Si2Mn 鋼不同原始組織試樣，經(jīng)800℃亞溫淬火后的力學(xué)性能不同。強(qiáng)度、硬度方面：淬火態(tài)試樣的硬度和抗拉強(qiáng)度最高;熱軋態(tài)、正火態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)強(qiáng)度、硬度彼此接近，差別不大，均低于淬火態(tài)。塑性和韌性方面：淬火態(tài)試樣表現(xiàn)優(yōu)異，具有最高的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌度。和常規(guī)完全淬火比較，熱軋態(tài)、正火態(tài)、調(diào)質(zhì)態(tài)60Si2Mn 鋼亞溫淬火后的強(qiáng)度、硬度與常規(guī)完全淬火相當(dāng)，淬火態(tài)試樣亞溫淬火后的硬度、強(qiáng)度高于常規(guī)完全淬火。四種原始組織的60Si2Mn 鋼經(jīng)亞溫淬火后，其塑性和韌性均優(yōu)于常規(guī)完全淬火。

圖1 60Si2Mn 鋼的DTA 曲線Figure 1 DTA curves of 60Si2Mn steel

表1 60Si2Mn 鋼的DTA 分析結(jié)果Table 1 The DTA analysis results of 60Si2Mn steel

圖2 原始組織對60Si2Mn 鋼800℃亞溫淬火力學(xué)性能的影響Figure 2 The effect of original structure on mechanical property of 60Si2Mn steel after intercritical quenching at 800℃

試驗表明，原始組織影響60Si2Mn 鋼亞溫淬火后的力學(xué)性能與常規(guī)完全淬火相比，不管何種原始組織，60Si2Mn 鋼經(jīng)800℃亞溫淬火后，可在強(qiáng)度、硬度不降低的情況下，改善其塑性和韌性。

2.2 60Si2Mn 鋼淬火后的顯微組織

60Si2Mn 鋼的四種原始顯微組織見圖3。

由圖3 可見，熱軋態(tài)和正火態(tài)試樣的組織均為先共析鐵素體+珠光體。正火態(tài)試樣的組織更加細(xì)小，鐵素體與珠光體的分布更加均勻。淬火態(tài)組織由板條馬氏體、孿晶馬氏體和少量殘余奧氏體組成。調(diào)質(zhì)態(tài)組織為碳化物呈顆粒狀均勻分布的回火索氏體。

四種狀態(tài)60Si2Mn 鋼800℃亞溫淬火后的顯微組織照片見圖4。

圖3 60Si2Mn 鋼的四種原始組織Figure 3 The four kinds of original structures of 60Si2Mn steel

圖4 60Si2Mn 鋼800℃亞溫淬火后的顯微組織Figure 4 The microstructure of 60Si2Mn steel after intercritical quenching at 800℃

從圖4 可以看出，熱軋態(tài)、正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)60Si2Mn 鋼800℃亞溫淬火的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體和鐵素體雙相組織，其組織形態(tài)相同，馬氏體與鐵素體呈顆粒狀均勻分布。

顯微組織分析表明：淬火態(tài)60Si2Mn 鋼經(jīng)800℃亞溫淬火后得到極細(xì)小的針狀鐵素體和馬氏體雙相組織。與熱軋態(tài)、正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)試樣經(jīng)亞溫淬火后獲得的顆粒狀雙相組織相比，淬火態(tài)試樣的組織更細(xì)小，故具有更高的綜合力學(xué)性能。

亞溫淬火較常規(guī)完全淬火更有利于細(xì)化晶粒，也更利于提高鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。這是因為：一方面亞溫淬火有未溶鐵素體存在，阻止了奧氏體晶粒的長大;另一方面亞溫淬火較低的加熱溫度，減慢了原子擴(kuò)散的速度。另外，60Si2Mn 鋼經(jīng)亞溫淬火處理，未溶鐵素體和彌散分布的碳化物在細(xì)化晶粒的同時，也有利于滑移和晶界移動的晶粒取向，從而提高材料的塑性［1］。晶粒細(xì)化，晶界總面積增加，是60Si2Mn鋼亞溫淬火后韌性好、強(qiáng)度高的原因之一。

雙相合金中雙相的形態(tài)對試樣的力學(xué)性能有影響，主要表現(xiàn)在對裂紋擴(kuò)展的阻礙作用上。當(dāng)鐵素體呈針狀時，馬氏體被鐵素體最大限度的分開，故裂紋的擴(kuò)展不僅通過馬氏體，還必然通過鐵素體。鐵素體在斷裂前會產(chǎn)生大量塑性變形而消耗較多能量，從而對裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用。若鐵素體呈塊狀形態(tài)時，則裂紋容易只沿著馬氏體基體擴(kuò)展，而不與孤立的鐵素體相遇，從而使試樣的韌性變差。另外，鐵素體呈針狀、馬氏體為細(xì)小板條狀時，晶界總面積較塊狀時要大的多，也有利于力學(xué)性能的提高。針狀組織比顆粒狀組織細(xì)小，在材料變形和斷裂的過程中能吸收更多的能量［2］。由于淬火態(tài)組織形態(tài)中針狀組織最多，故其綜合力學(xué)性能最好。

3 結(jié)論

(1)原始組織對60Si2Mn 鋼亞溫淬火后的力學(xué)性能有影響，經(jīng)過預(yù)處理的淬火態(tài)試樣亞溫淬火后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于熱軋態(tài)、正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)試樣。

(2)顯微組織分析表明：原始組織為熱軋態(tài)、正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)時，淬火組織中鐵素體呈顆粒狀，組織較為粗大。原始組織為淬火態(tài)時，鐵素體呈針狀均勻分布，組織細(xì)小。這是淬火態(tài)試樣力學(xué)性能優(yōu)于熱軋態(tài)、正火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)試樣的原因。

［1］閆春波，周維龍.18Ni(2 450 MPa 級)馬氏體時效鋼細(xì)化晶粒工藝［J］.大型鑄鍛件，2004(2)：1－7.

［2］徐祖耀.馬氏體相變及馬氏體［M］.北京：科學(xué)出版社，1980：156－164.