調(diào)質(zhì)處理對低碳貝氏體鋼組織和性能的影響

商 艷，張偉強，張 暢

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

微合金低碳貝氏體鋼是一類高強度、高韌性、焊接性能優(yōu)良的新一代鋼種，主要應用在工程機械、造船和輸送管線等行業(yè)。由于該鋼種高強度和優(yōu)異的低溫韌性，引起世界各國研究者的矚目［1－2］。熱處理工藝能很好地優(yōu)化鋼的組織，改善鋼的力學性能，對材料的正常使用起著非常重要的作用［3］。陳林恒和高古輝等［4－5］研究了回火溫度對低碳貝氏體鋼組織性能的影響，而對貝氏體鋼采用調(diào)質(zhì)處理的研究則鮮有報道。本文著重研究一種低碳貝氏體鋼的調(diào)質(zhì)處理工藝，研究不同的淬火介質(zhì)、淬火溫度及回火溫度對實驗鋼組織和硬度的影響，以便得到較合理的熱處理工藝，為實際生產(chǎn)提供理論指導。

1 實驗材料與方法

實驗材料為低碳合金鋼軋制后的15mm厚鋼板，經(jīng)線切割成直徑為8mm長度為15mm的試樣，表1所示為實驗鋼的化學成分。

表1 實驗鋼的化學成分 (質(zhì)量百分數(shù)，wt%)

根據(jù)熱處理工藝經(jīng)驗公式計算實驗鋼的相轉(zhuǎn)變點［6］。

式中:Ac1為奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變溫度;Ac3為冷卻時奧氏體向滲碳體的轉(zhuǎn)變溫度;Ar3為加熱時滲碳體向奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度;Ms為奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度;Mf為馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度。

實驗鋼的Ac3為879℃，一般淬火加熱溫度在Ac3+50～100℃范圍內(nèi)。故淬火加熱溫度選取在900～990℃之間，每30℃設定一個試驗溫度，保溫10min進行淬火實驗。保溫后采用油和水兩種介質(zhì)分別淬火，對比兩種不同淬火介質(zhì)對試驗鋼組織及性能的影響。設定 500℃、550℃、600℃、650℃四個高溫回火溫度，保溫70min。

熱處理實驗在實驗室箱式空氣電阻爐中進行，爐溫先升至設定溫度并穩(wěn)定后再向爐中放料。淬火方式為直接淬入淬火介質(zhì)中充分攪拌，冷至室溫后取出。金相照片的拍攝使用200MAT光學顯微鏡進行。選用圓錐角α=120°的金剛石圓錐體壓頭測量洛氏硬度。為減小誤差，將試樣兩面用砂紙打磨平整，每個試樣隨機取10處位置測量，最后求得實驗數(shù)據(jù)的平均值。選取維式顯微硬度計測試試樣的微觀硬度值。

圖1為試驗鋼熱處理前的原始金相組織，從圖1中可觀察到明顯的較大塊的鐵素體結(jié)構(gòu)，由于試樣鋼經(jīng)熱軋成型，從金相組織中可觀察到在鐵素體基體上分布著大塊的碳化物所構(gòu)成的貝氏體組織。

圖1 試驗鋼原始組織

2 結(jié)果與分析

2.1 淬火介質(zhì)對實驗鋼組織性能的影響

圖2a、2b、2c、2d是實驗鋼分別加熱到不同溫度，然后以水為淬火介質(zhì)淬火后的組織，圖2e、2f、2g、2h是以22#機油為淬火介質(zhì)淬火后的組織。對比這兩組圖片看出，油淬后的試樣中碳化物分布的更均勻，形成的馬氏體的體積分數(shù)更多。水淬時部分工件出現(xiàn)了開裂，如圖3所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于水在馬氏體轉(zhuǎn)變階段冷速太大，易使工件嚴重變形甚至開裂;油的沸點比水高150～300℃，其對流階段的開始溫度比水高得多，由于在Ms點附近已進入對流階段，故低溫區(qū)間的冷速遠小于水，有利于減少工件的變形與開裂傾向［7－8］。

圖4為不同溫度下油淬和水淬后工件的硬度曲線，從圖4中可以看出，油淬后的試樣硬度與水淬后的試樣硬度差距不是很大，綜合考慮采用機油作為淬火介質(zhì)更加合理。

2.2 淬火溫度對實驗鋼組織性能的影響

從圖 2e、2f、2g油淬后的組織可看出，在900℃、930℃和960℃淬火后的馬氏體組織中碳化物分布較均勻，990℃淬火后(圖2h)的晶粒明顯長大，這是由于在930℃及960℃淬火時，已經(jīng)完成了奧氏體化的最后階段，即碳化物的溶解與成分擴散均勻化。有研究表明，只有更多的碳化物(這里主要的是滲碳體)溶入奧氏體中，實驗鋼才能在淬火后有更大的固溶強化及回火時碳化物的均勻彌散析出強化，并能增加材料的淬透性［9－10］。本實驗鋼中添加了一定量碳化物形成元素如Nb、V、Mo，只有奧氏體化過程中有足夠的溶解量，才能在淬火回火處理中沉淀析出或固溶強化［11－12］。合金元素和碳化物的溶解過程在930℃及960℃的加熱及保溫過程中已經(jīng)完成，因而在990℃淬火時，由于加熱時間稍高，使奧氏體均勻化后，晶粒長大明顯，出現(xiàn)了粗化現(xiàn)象，進而使實驗鋼的硬度和強度降低。結(jié)合試驗鋼在不同溫度淬火后的硬度曲線(如圖4所示)及試驗鋼在不同溫度淬火后的強度曲線(如圖5所示)分析可得，試驗鋼在930～960℃溫度之間淬火后的性能較好。故選卻930℃及960℃油淬后的試樣進行高溫回火試驗。

圖2 實驗鋼不同溫度、不同介質(zhì)淬火后的組織

圖3 淬裂的工件

圖4 試驗鋼不同溫度、不同介質(zhì)淬火后的硬度曲線

圖5 不同溫度油淬后試樣強度曲線

2.3 回火溫度對實驗鋼組織性能的影響

圖6所示為試驗鋼在930℃及960℃淬火、不同溫度回火后的微觀組織。從金相圖片中可以看出，隨回火溫度升高，鐵素體基體的塊狀形貌越來越明顯，且尺寸逐漸粗大，與淬火態(tài)圖2對比可發(fā)現(xiàn)，高溫回火后的組織基本都是回火索氏體組織。

實驗鋼的硬度隨回火溫度變化規(guī)律如圖7所示，隨回火溫度升高硬度值變化的總體趨勢下降。500～550℃強度變化較顯著，550～650℃之間變化不大。兩條曲線的最高點都在回火溫度為500℃時，最低點都在回火溫度為550℃時。由于930℃淬火500℃回火后的宏觀硬度與960℃淬火500℃回火后的宏觀硬度差別并不明顯，分別測量二者的顯微硬度，測量結(jié)果如表2所示。從表2中可看出，930℃淬火 500℃回火后的硬度較960℃淬火500℃回火后的硬度稍高，考慮節(jié)能因素，930℃淬火500℃回火處理較好。初始試樣經(jīng)過930℃淬火500℃回火調(diào)質(zhì)處理后，硬度由原始的260.7HV提高到322.2HV。

圖6 試驗鋼淬火回火后組織

圖7 930℃和960℃淬火回后火的硬度曲線

表2 幾組試樣的顯微硬度測量結(jié)果 HV

3 結(jié)論

(1)油淬后試樣的硬度比水淬后的試樣硬度稍低，但差距并不大，水淬后的試樣有開裂出現(xiàn)，故油淬更合理。

(2)試驗鋼在930～960℃溫度之間淬火后的性能較好，故選卻930℃及960℃油淬后的試樣進行高溫回火試驗。隨回火溫度升高，鐵素體基體的塊狀形貌越來越明顯，且尺寸逐漸粗大，硬度值變化的總體趨勢為下降。

(3)試驗鋼經(jīng)在930℃淬火和500℃高溫回火處理后得到細化均勻的回火索氏體組織，硬度由原始的260.7HV提高到322.2HV。

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