新型低合金高強度Cr－Mo鋼熱處理工藝研究

鄭立允，甄凌雪

(河北工程大學機電學院，河北 邯鄲056038)

低碳鋼的完全淬火是在完全奧氏體化以上50～70℃進行，保溫一段時間后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到的最終組織為馬氏體。淬火的主要目的是使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后為了減少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，對實驗鋼在不同溫度下進行了高溫回火。本文主要針對130ksi鋼級的射孔槍管用鋼，采用Cr－Mo系低碳低合金鋼為實驗用鋼，在確定了實驗鋼的成分之后對其熱處理工藝進行研究。在常規(guī)調質處理的基礎上，通過改變工藝參數(shù)對該射孔槍管用鋼的熱處理工藝進行了優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的綜合力學性能，能夠滿足使用要求。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的是Cr－Mo系列的鋼作為實驗材料，其具體成分及其所占的百分比如下:0.26%C、0.20%Si、0.9%Mn、0.01%P、0.005%S、0.1%Ni、0.95%Cr、0.42%Mo、0.02%Al，其余成分為 Fe和一些必要雜質。

實驗材料經(jīng)過環(huán)形爐加熱→穿孔→軋制→減徑→矯直等軋制工藝加工后，進行熱處理及組織結構和性能表征。

沖擊試樣按照GB/T 299－1994加工，由于鋼管壁厚較小加工成的標準尺寸為:55 mm×10 mm×7.5 mm(夏比沖擊試驗 V型缺口)，用 NIS00C型擺錘式儀器化動態(tài)沖擊試驗機測定沖擊韌性。拉伸試樣按照GBT228－2002加工成標準試樣，其中壁厚為10 mm，在萬能材料拉伸試驗機上對其進行拉伸試驗。以上實驗的每個工藝為5個試樣測試后的平均值。

金相試樣是用鋸床將鋼管鋸成鋼條再用金相試樣切割機切割成30 mm×20 mm×10 mm的小塊，依次經(jīng)過由粗到細金相砂紙磨樣、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕7 s－10 s。測定晶粒度的試樣采用飽和苦味酸溶液(1 g苦味酸+5 ml鹽酸+100 ml酒精)腐蝕10 s－12 s。利用4XCMS型光學顯微鏡對實驗鋼的顯微組織進行觀察，用ZEISS EV018型掃描電鏡對其精細組織進行分析。

1.2 實驗方法

用HENVEN－HJ型差熱分析儀測定鋼的奧氏體開始轉變溫度和完全奧氏體化溫度，具體測定過程如下:設置兩個升溫階段，第一個階段終止溫度設為700℃，升溫速率為10℃/min;第二階段終止溫度為1 050℃，升溫速率為5℃/min。通入的保護氣體為氮氣，氣體流入量為15 ml/min。經(jīng)測定該鋼的臨界溫度為:Ac1=765.3℃，Ac3=859.6℃。

完全淬火溫度分別為:880℃、900℃、920℃、940℃、960℃，保溫時間分別為40min和70min，冷卻介質為水。在最佳淬火溫度下進行淬火然后進行 520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃，保溫時間為80min的回火處理，冷卻介質為空氣。

2 實驗結果及分析

2.1 不同淬火溫度的影響

不同溫度下進行完全淬火后試樣的微觀組織照片如圖1所示。完全淬火，可以使原來的自由鐵素體能完全融入奧氏體中，最終獲得馬氏體組織。比較圖1中的不同溫度下完全淬火試樣的金相組織，可以看出，組織均比較細小，都是由板條馬氏體、殘留奧氏體和少量分布的未溶碳化物組成。在相同的保溫時間下，隨著淬火加熱溫度的升高，組織狀態(tài)有了明顯的粗化，板條長度變長，寬度也增大。剩余碳化物量減少，由圖1中也可以清楚地看到a、b、c中碳化物量越來越少，d和e中碳化物含量極少，因為隨著淬火溫度的升高，碳化物的融入量越來越大。

表1 給出了保溫40min時，不同淬火溫度下鋼的平均晶粒尺寸和硬度的測試結果。由表1可知，隨亞溫淬火溫度的升高，晶粒的平均截距呈增大趨勢，由8.5μm 增大到 11.4μm。同時，隨著淬火溫度的升高，試樣的硬度先增大后減小。分析原因是，在900℃以前淬火，淬火加熱溫度不足，會使硬度隨淬火溫度的升高而增大。但高于900℃以后淬火時，硬度隨淬火溫度的升高而減小，則是因為此時合金元素的碳、氮化物已得到了充分溶解，不能再阻止奧氏體晶粒的長大，與此同時，淬火后殘余奧氏體的量也逐漸增多，也會導致硬度的減小。所以試樣硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

表1 淬火后的晶粒度和硬度(保溫時間為40min)Tab.1 Grain size and hardness after quenching(holding for 40min)

2.2 淬火時不同保溫時間的影響

不同保溫時間下進行亞溫淬火后試樣的微觀組織照片如圖2所示。

比較圖1和圖2，相同的淬火溫度下比較不同保溫時間的淬火試樣的金相組織，可以發(fā)現(xiàn)隨保溫時間的延長淬火后組織變化并不明顯。表2為保溫70 min時晶粒大小隨淬火溫度變化情況，對比表1和表2，可以發(fā)現(xiàn)，延長保溫時間后晶粒和硬度的變化趨勢與未延長時相同，晶粒稍微有所長大，硬度降低程度也不明顯，說明保溫時間的延長對晶粒的大小和硬度的影響并不明顯。從而可以得出結論對淬火后組織影響較大的是淬火溫度，而淬火保溫時間基本無影響。

表2 淬火后的晶粒度和硬度(保溫時間為70min)Tab.2 Grain size and hardness after quenching(holding for 70min)

2.3 不同回火溫度對組織和性能的影響

表3 900℃ ×40min淬火和不同溫度回火后的力學性能Tab.3 Mechanical properties of the steel tempering at different temperatures

根據(jù)組織、硬度和晶粒度的測定結果選取最佳的完全淬火溫度為900℃，保溫40 min。在此淬火工藝下進行 520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃回火處理。鋼淬火后得到的組織為馬氏體和殘余奧氏體，都是非平衡組織，它們在回火過程中都會發(fā)生轉變。在回火過程中發(fā)生的轉變過程為:當回火溫度在80～250℃之間時馬氏體開始分解，馬氏體中的碳原子偏聚在位錯線附近的間隙位置;溫度繼續(xù)升高到300℃，這期間殘余奧氏體會發(fā)生相應的轉變;在溫度升高到400℃的過程中馬氏體中的碳原子會全部析出，從而在馬氏體內或晶界上形成滲碳體與此同時α相依然保持板條形貌;溫度繼續(xù)升高就會發(fā)生α相的回復、再結晶和滲碳體的集聚和球化。

圖3給出了900℃淬火、520～620℃回火試樣的金相組織照片。觀察實驗鋼回火后的金相組織可以發(fā)現(xiàn)最終形成的組織為細粒狀滲碳體和等軸狀鐵素體所構成的回火索氏體。S回依然保持著原來馬氏體的位相。

完全淬火后的綜合力學性能如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨回火溫度的升高，實驗鋼的硬度和強度逐漸降低，斷面收縮率和沖擊逐漸增大。這是因為隨著回火溫度的升高，碳化物會球化和長大，同時α相也發(fā)生回復和再結晶形成了S回。所加入的合金元素Mo與碳親和力較強，從而使合金滲碳體的溶解減慢，同時Mo還可以有效抑制滲碳體在450－600℃下的聚集長大。綜合考慮最終選擇560℃為最佳回火溫度。

圖4為完成沖擊試驗后，用掃描電鏡觀察的斷口形貌。

由掃描電鏡觀察沖擊后斷口的微觀形貌可以看出在所選溫度中回火后沖擊斷裂都是韌性斷裂，因為金屬韌性斷裂最主要的微觀形貌特征就是韌窩。韌窩的形成是由于材料內部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長大并和其他空洞連接在一起就形成了韌窩斷口。觀察沖擊斷口的微觀形貌可以清晰的看見韌窩為剪切韌窩，試樣的斷口形貌都以準解理為主要特征且韌窩中有第二相粒子分布。隨回火溫度的增高，韌窩的面積有逐漸增大的趨勢。

3 結論

綜合以上實驗結果最終確定最優(yōu)的熱處理工藝為:淬火900℃保溫40 min回火560℃保溫80 min。此時獲得的綜合力學性能最好，屈服強度為927 MPa，橫向沖擊功為74.5J，晶粒度為10級。符合射孔槍管在使用中所需要的性能。

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