熱處理工藝對(duì)機(jī)械工程用鋼組織性能的影響

游亮

摘要：高性能工程機(jī)械用鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的沖擊韌性。廣泛用于礦山開(kāi)采和各類工程機(jī)械設(shè)備中，能夠很好地改善機(jī)械的使用壽命和施工效率，增加安全性。利用金相顯微鏡、拉伸等實(shí)驗(yàn)方法，研究了回火工藝對(duì)600MPa級(jí)機(jī)械工程用鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明，隨著回火溫度的提升，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度、硬度、伸長(zhǎng)率都會(huì)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；強(qiáng)度和硬度均在650℃達(dá)到最大值后急劇下降，伸長(zhǎng)率則在600℃達(dá)到最大值，隨后下降；基于強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的綜合考量，600℃回火30min的熱處理工藝較合理。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械用鋼；回火工藝；機(jī)械性能；顯微組織

一、引言

近年來(lái)，工程機(jī)械業(yè)行業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，提升了工程機(jī)械用鋼的需求量，這些增量將不斷地支撐起工程機(jī)械用鋼的巨大平臺(tái)[1]。對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品而言，用鋼成本約占總成本的30%，降低材料成本或使用高性能鋼材用于工程機(jī)械是企業(yè)的良好選擇，有其市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力[2]。受力結(jié)構(gòu)件大約占到整體質(zhì)量的40% ～60%，加強(qiáng)鋼的力學(xué)性能，可以降低產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成的占比，從而提高使用效益，節(jié)省能源，增加安全性[3]。但還存在著機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件在使用的過(guò)程中，會(huì)承受錯(cuò)綜變化的周期性載荷，因此其用鋼材除了要具備高強(qiáng)度外，也需要考慮高的疲勞強(qiáng)度、好的沖擊韌性、冷成形性以及良好的焊接性能。中國(guó)的工程機(jī)械與國(guó)際接軌，朝著大型化、輕量化發(fā)展，對(duì)鋼鐵產(chǎn)品性能的要求也是越來(lái)越高[4]。

國(guó)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)如JFE、SSAB開(kāi)發(fā)的工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼種類多、產(chǎn)品質(zhì)量好，具有強(qiáng)度高的、韌性好、極優(yōu)的焊接性等特征。國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用高級(jí)別強(qiáng)度鋼的研究起步較晚，強(qiáng)度級(jí)別和產(chǎn)品種類質(zhì)量都與其他國(guó)家存在差距[5]。引進(jìn)這方面的產(chǎn)品工藝近20年后，工程機(jī)械用鋼打破了A3和16Mn鋼的低級(jí)別狀態(tài)，升級(jí)換代才提上日程[7]。目前，人們根據(jù)不同強(qiáng)度級(jí)別開(kāi)發(fā)出了4個(gè)鋼級(jí)（60kg、70kg、80kg、100kg）。

本課題主要研究熱處理工藝對(duì)工程機(jī)械用鋼顯微組織與力學(xué)性能影響。對(duì)600MPa級(jí)工程機(jī)械用鋼進(jìn)行回火處理，研究了回火工藝對(duì)其力學(xué)性能和顯微組織的影響及相關(guān)機(jī)理，并獲得試驗(yàn)鋼最佳的回火溫度。

二、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用鋼選取了3mm厚度規(guī)格600MPa級(jí)機(jī)械工程用鋼，具體的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

首先取好樣品（3mm試樣16塊），然后進(jìn)行熱處理，隨爐升溫，550/600/650/700℃，保溫20或30分鐘，在空氣中冷卻，最后進(jìn)行檢測(cè)分析。

將試驗(yàn)鋼試樣，鑲樣后研磨、拋光，用4%的硝酸-酒精溶液侵蝕，使用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡觀察分析顯微組織。根據(jù)GB/T 228-2002將實(shí)驗(yàn)鋼加工成拉伸試樣，用PTSA 100A型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)鋼的機(jī)械性能，用維氏硬度計(jì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)鋼的硬度，記錄測(cè)試結(jié)果和顯微組織。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）回火溫度對(duì)600MPa級(jí)機(jī)械工程用鋼顯微組織的影響

圖3.1為試驗(yàn)鋼原始金相組織照片，回火前試樣的顯微組織主要是由馬氏體和殘余奧氏體組成，以馬氏體為主，組織較細(xì)小。試樣通過(guò)550℃保溫20min回火處理后，由圖3.2（a）看出回火前后組織轉(zhuǎn)變不明顯，可以看到明顯的板條構(gòu)造，在板條貝氏體的內(nèi)部組織之中可以觀察到各個(gè)區(qū)域。當(dāng)溫度上調(diào)到600℃時(shí)，如圖3.2（b）所示，鋼中板條貝氏體的量下降，M-A島也發(fā)生了明顯的分解，出現(xiàn)了較明顯的細(xì)粒狀滲碳體和鐵素體。當(dāng)回火溫度提高到650℃后，如圖3.2（c）所示，板條貝氏體邊界不清楚，位錯(cuò)呈現(xiàn)高密度網(wǎng)狀形態(tài)。700℃回火，由圖3.2（d）可以看到，所得組織是回火屈氏體和回火索氏體，多邊形鐵素體進(jìn)一步增加，同時(shí)還可以看到細(xì)粒狀滲碳體，準(zhǔn)多邊形鐵素體的量很少，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)熱處理后的鋼組織回火穩(wěn)定性很好。

（二）回火溫度對(duì)高強(qiáng)度機(jī)械工程用鋼力學(xué)性能的影響

從表4中可以看出，未回火的3mm試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度為845MPa，屈服強(qiáng)度為778 Mpa，斷后伸長(zhǎng)率為17%。當(dāng)溫度升至600℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度升至960MPa，當(dāng)溫度升至700℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度降至882MPa。相對(duì)于抗拉強(qiáng)度經(jīng)回火溫度的先上升后下降，屈服強(qiáng)度先降后升再降，在550℃到達(dá)頂值874MPa，而后出現(xiàn)下降，在600℃時(shí)，下降至865MPa，然后升高再下降，直至700℃時(shí)，屈服強(qiáng)度到達(dá)最低值805MPa，試驗(yàn)鋼的斷后伸長(zhǎng)率隨著回火溫度的變化是先升高后下降，在550℃是最低值19.3%，在650℃時(shí)斷后伸長(zhǎng)率最高，達(dá)到21.2%。

（三）分析與討論

綜合上述數(shù)據(jù)分析，而回火溫度對(duì)強(qiáng)度/硬度/伸長(zhǎng)率是先上升后下降。這是因?yàn)樵冀M織為性能很脆弱的馬氏體組織加膜狀殘留奧氏體，這兩種組織都是不穩(wěn)定組織，在工作中會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸的變化。

熱處理工藝過(guò)程中，伴隨回火溫度的提高，組織類型相對(duì)的發(fā)生改變。溫度過(guò)低時(shí)，組織類型為回火馬氏體和奧氏體，馬氏體的硬度很高，馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，馬氏體的硬度就越高。高碳馬氏體因?yàn)檫^(guò)飽和度大、內(nèi)應(yīng)力高和有孿晶結(jié)構(gòu)，所以硬而脆，可塑性、沖擊韌性極不好。但是隨著碳原子的析出擴(kuò)散，低碳馬氏體就會(huì)出現(xiàn)。由于低碳馬氏體過(guò)飽和度小，內(nèi)應(yīng)力低和存在高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，不僅強(qiáng)度高，而且塑性、韌性好。所以一開(kāi)始試驗(yàn)鋼回火后的硬度低，沖擊性能好。

隨著溫度的進(jìn)一步升高，組織又會(huì)變?yōu)榛鼗瘃R氏體和回火屈氏體，鐵素體仍保留馬氏體的形態(tài)，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗?；鼗鹎象w具備高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時(shí)也具有一定程度韌性。M/A島的大量分化會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的下降，但是在基體和硬質(zhì)相在力作用下的形體轉(zhuǎn)變行為更加配合得當(dāng)，也會(huì)提高屈服強(qiáng)度。700℃回火后時(shí)，組織類型為回火屈氏體和回火索氏體，大部分為鐵素體，這些鐵素體組織已經(jīng)變得很粗大?；鼗鹚魇象w的綜合力學(xué)性能最好，即強(qiáng)度、塑性、韌性都比較優(yōu)良。同時(shí)，滲碳體分布在鐵素體晶粒之間，容易引起脆斷。隨回火溫度升高，組織內(nèi)板條通過(guò)界而合并變寬或發(fā)生再結(jié)晶，位錯(cuò)密度降低和位錯(cuò)纏結(jié)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，這是軟化作用。這種軟化作用使得伸長(zhǎng)率升高較明顯，由回火前的17%增加到700℃回火時(shí)的23%，同時(shí)降低抗拉強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)表明工程機(jī)械用鋼的回火溫度不宜超過(guò)650℃。

結(jié)論

（1）回火前得到的組織均為馬氏體和殘余奧氏體的復(fù)合組織，組織較細(xì)小。伴隨著回火溫度的提升，馬氏體分解，奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，板條間距增加，粗化現(xiàn)象明顯。

（2）回火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度、硬度、斷后伸長(zhǎng)率影響較大。隨著回火溫度的提高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度/硬度/伸長(zhǎng)率會(huì)出現(xiàn)先上升后降的趨向。

（3）試驗(yàn)鋼會(huì)在600℃獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，合理工藝為回火溫度600℃保溫30分鐘。

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