一種非調(diào)質(zhì)鋼組織轉(zhuǎn)變及性能的研究

楊偉光，劉年富，李祥龍，李國葵

(廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

近些年來，非調(diào)質(zhì)鋼在汽車以及工程機(jī)械等領(lǐng)域被廣泛使用，尤其在汽車領(lǐng)域，非調(diào)鋼廣泛應(yīng)用于制造汽車發(fā)動機(jī)曲軸、連桿和活塞等重要部件。非調(diào)質(zhì)鋼是在優(yōu)碳鋼或低合金鋼中加入微量的Nb、V、Ti或N等元素，使鋼材在鍛造或軋制狀態(tài)就具有非常好的綜合力學(xué)性能。與調(diào)質(zhì)鋼相比節(jié)省了熱處理工序和熱處理設(shè)備，避免了熱處理過程中產(chǎn)生變形或淬火裂紋造成的廢品，減少了熱處理造成的污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。

鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼通過鍛造等變形方式加工成毛坯零件后，可以利用鍛造后的余熱進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s速度控制，使零件盡量獲得鐵素體和珠光體組織，盡量少產(chǎn)生貝氏體或馬氏體組織，同時獲得理想的硬度值。本文將能通過熱模擬機(jī)試驗(yàn)對一種非調(diào)鋼在不同冷卻速度和冷卻方式條件下的相變轉(zhuǎn)變規(guī)律以及轉(zhuǎn)變后的顯微組織和硬度情況進(jìn)行研究，為鋼材在鍛造等熱加工后的零件的冷卻控制提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

通過Gleeble-3800熱模擬機(jī)試驗(yàn)測量膨脹系數(shù)和溫度曲線；萊卡DM-4000M金相顯微鏡檢驗(yàn)金相組織；Zwick ZHV-1型號維氏硬度計(jì)測量維氏硬度。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)非調(diào)質(zhì)鋼材料化學(xué)成分如表1所示，非調(diào)質(zhì)鋼試樣使用320 mm×425 mm斷面連鑄坯軋制成φ90 mm圓鋼，圓鋼軋制后采用空冷的方式冷卻至室溫。在距離圓鋼表面二分之一半徑的位置取樣，加工成尺寸為φ6 mm×81 mm的試樣。

表1 非調(diào)質(zhì)鋼材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 試驗(yàn)方法

非調(diào)質(zhì)鋼的過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變(CCT)曲線的測定以膨脹法為主，金相法和硬度法為輔助[3-6]。

2 不同冷卻速度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)

2.1 Ac1、Ac3、Ar1、Ar3相變點(diǎn)溫度測定

相變點(diǎn)溫度測定試驗(yàn)方案為：將試樣以10 ℃/s的加熱速度加熱至500 ℃，然后以0.05 ℃/s的加熱速度加熱到960 ℃，保溫10 min，再以0.05 ℃/s的降溫速度冷卻至420 ℃，最后以10 ℃/s的冷卻速度冷卻至室溫，如圖1所示。試驗(yàn)過程中，通過膨脹法[2]測定試樣膨脹量隨時間變化的曲線。通過熱模擬試驗(yàn)測定相變點(diǎn)溫度如圖2和表2所示。

圖1 測定相變點(diǎn)時間-溫度控制曲線Fig.1 The time-temperature control curve of measuring phase transition points

圖2 非調(diào)質(zhì)鋼熱模擬試驗(yàn)膨脹系數(shù)-溫度曲線Fig.2 The expansion coefficient-temperature curve of the non-quenched and tempered steel

相變點(diǎn)Ac1Ac3Ar1Ar3溫度753828616722

2.2 不同冷卻速度下連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)方法

靜態(tài)CCT曲線測定試驗(yàn)方案：將試樣以10 ℃/s的加熱速度加熱到960 ℃，保溫10 min，然后分別以0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.0、10、15、20、25、30 ℃/s的降溫速度將試樣冷卻至室溫，如圖3所示，測量每個冷卻速度工藝下的試樣顯微組織和維氏硬度(HV5)，繪制靜態(tài)CCT曲線。

將不同冷卻速度下的試樣沿橫截面切開制作成金相試樣，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕[7]，使用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。每個試樣測量維氏硬度值(HV5)。

圖3 靜態(tài)CCT試驗(yàn)時間-溫度控制曲線Fig.3 The time-temperature control curve of the static CCT test

2.3 不同冷卻速度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變試驗(yàn)結(jié)果

不同連續(xù)冷卻速度下的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和維氏硬度情況如表3所示；不同連續(xù)冷卻速度下的顯微組織如圖4所示。

表3 不同連續(xù)冷速度下轉(zhuǎn)變組織和維氏硬度

(a) 0.1℃/s ；(b) 0.5 ℃/s；(c) 1.0 ℃/s；(d) 2.0 ℃/s ；(e) 3.0 ℃/s；(f)4.0 ℃/s；(g) 5.0 ℃/s ；(h) 7.0 ℃/s；(i) 10 ℃/s；(j) 15 ℃/s ；(k) 20 ℃/s；(l)25 ℃/s；(m)30 ℃/s；圖4 非調(diào)制鋼不同連續(xù)冷卻速度下的顯微組織Fig.4 Microstructure of the non-quenched and tempered steel at the different continuous cooling speeds

測定各相轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)溫度。各相變的轉(zhuǎn)變類型及臨界點(diǎn)溫度如表4所示。將表4所示連續(xù)相轉(zhuǎn)變過程中不同冷卻速度下，各相轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時的溫度為縱坐標(biāo)，時間對數(shù)為橫坐標(biāo)繪制成靜態(tài)CCT曲線，如圖5所示曲線。

表4 不同連續(xù)冷卻速度下各相變溫度

從表3、圖4所示不同連續(xù)冷卻速度下的顯微組織和圖5靜態(tài)CCT曲線可以看出，該非調(diào)質(zhì)鋼不同連續(xù)冷卻速度下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織主要是鐵素體、珠光體、貝氏體、馬氏體。隨著冷卻速度的增加，鐵素體和珠光體的含量逐漸減少，而貝氏體和馬氏體的含量逐漸增加。連續(xù)冷卻速度分別為0.1、0.5和1 ℃/s時，轉(zhuǎn)變組織主要為鐵素體+珠光體，鐵素體的含量逐漸減少，珠光體的含量逐漸增加，它們的維氏硬度值分別為250、267和285 HV5。連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時，開始出現(xiàn)貝氏體，組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體+8%的貝氏體，維氏硬度值為307 HV5。連續(xù)冷卻速度分別為3、4、5和7 ℃/s時，開始有馬氏體生成，轉(zhuǎn)變組織為貝氏體+馬氏體+鐵素體+珠光體，鐵素體和珠光體的比例明顯減少，馬氏體含量逐漸增加，維氏硬度值分別為333、347、380和414 HV5。連續(xù)冷卻速度為10和15 ℃/s時，轉(zhuǎn)變組織主要為馬氏體+少量貝氏體，無鐵素體和珠光體出現(xiàn)，維氏硬度值分別為461和522 HV5。冷卻速度為20、25和30 ℃/s時，轉(zhuǎn)變組織全為馬氏體，維氏硬度值分別為577、590和624 HV5。隨著冷卻速度的不斷提高，轉(zhuǎn)變組織的維氏硬度值也不斷提高，如圖6所示。

圖6 冷卻速度與維氏硬度對應(yīng)關(guān)系Fig.6 The relationship between cooling speeds and vickers hardness

3 靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)

3.1 靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)方法

連續(xù)冷卻速度分別為0.1、0.5和1 ℃/s時，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織主要為鐵素體+珠光體，維氏硬度值分別為250、267和285 HV5。為了盡可能獲得鐵素+珠光體組織和盡可能少的貝氏體組織，同時獲得更高的硬度值，進(jìn)行靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)。表4中冷卻速度為2、3和4 ℃/s時，珠光體轉(zhuǎn)變終止溫度分別為558、556和550 ℃，選擇560 ℃作為靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變溫度控制點(diǎn)，560 ℃在珠光體轉(zhuǎn)變終止溫度以上，當(dāng)分別以2、3和4 ℃/s連續(xù)冷卻至560 ℃時，此時的組織應(yīng)該為奧氏體+鐵素體+珠光體，再進(jìn)行等溫控制促使過冷奧氏體充分向珠光體組織轉(zhuǎn)變。

將試樣以10 ℃/s的升溫速度加熱到960 ℃，保溫10 min后，再分別按以下工藝試驗(yàn)：

① 2.0 ℃/s的冷卻速度冷卻至560 ℃，分別等溫10、20 min，再以2.0 ℃/s的冷卻速度冷卻至常溫；② 冷卻3.0 ℃/s的速度冷卻至560 ℃，分別等溫10、20 min，再以3.0 ℃/s的冷卻速度冷卻至常溫；③ 4.0 ℃/s的冷卻速度冷卻至560 ℃，分別等溫10、20 min，再以4.0 ℃/s的冷卻速度冷卻至常溫，靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)曲線如圖7所示。測量每個等溫轉(zhuǎn)變工藝下的顯微組織和維氏硬度(HV5)。顯微組織和維氏硬度的測量方法與靜態(tài)CCT曲線測定顯微組織和維氏硬度的測量方法相同。

圖7 靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)時間和溫度曲線Fig.7 The time and temperature curve of static isothermal transformation test

3.2 靜態(tài)等溫轉(zhuǎn)變試驗(yàn)結(jié)果

不同冷卻速度和等溫時間下的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和維氏硬度，如表5所示；不同冷卻速度和等溫時間下的顯微組織，如圖8所示。

從表5和圖8可以看出，不同冷卻速度下560 ℃等溫轉(zhuǎn)變的組織和維氏硬度情況。

等溫轉(zhuǎn)變前和等溫轉(zhuǎn)變后的連續(xù)冷卻速度分別為2、3和4 ℃/s時，560 ℃等溫組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物主要為鐵素體+珠光體。

表5 不同冷卻速度和等溫時間下組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及維氏硬度

(a) 2.0 ℃/s，等溫10 min；(b) 2.0 ℃/s，等溫20 min；(c) 3.0 ℃/s，等溫10 min；(d) 3.0 ℃/s，等溫20 min；(e) 4.0 ℃/s，等溫10 min；(f) 4.0 ℃/s，等溫20 min圖8 非調(diào)制鋼不同冷卻速度和等溫時間下顯微組織(a) 2.0 ℃/s，isothermal for 10 min;(b) 2.0 ℃/s，isothermal for 20 min;(c) 3.0 ℃/s，isothermal for 10 min;(d) 3.0 ℃/s，isothermal for 20 min；(e) 4.0 ℃/s，isothermal for 10 min；(f) 4.0 ℃/s，isothermal for 20 minFig.8 Microstructure of the non-quenched and tempered steel at different cooling speeds and isothermal time

等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時，分別等溫10和20 min后，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成。等溫10和20 min兩種工藝下，鐵素體和珠光體含量相當(dāng)，維氏硬度值分別為294和296 HV5。

等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為3 ℃/s時，分別等溫10和20 min后，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變未完成，在等溫轉(zhuǎn)變后的冷卻過程中，繼續(xù)進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成微量貝氏體。等溫20 min時貝氏體轉(zhuǎn)變量，少于等溫10 min時的貝氏體生成量，等溫10、20 min的維氏硬度值分別為309、303 HV5。

等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為4 ℃/s時，分別等溫10、20 min后，同樣過冷奧氏體未完成轉(zhuǎn)變，在等溫轉(zhuǎn)變后的冷卻過程中，繼續(xù)進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變，生成少量貝氏體，等溫20 min時的貝氏體轉(zhuǎn)變量，少于等溫10 min時的貝氏體轉(zhuǎn)變量。等溫10、20 min的維氏硬度值分別為317、314 HV5。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

連續(xù)冷卻速度分別為0.1、0.5和1 ℃/s時，與560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時的轉(zhuǎn)變組織為都是鐵素體+珠光體。與連續(xù)冷卻速度分別為0.1、0.5和1 ℃/s對比，在560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時，珠光體的組織含量比例更高些，同時維氏硬度也更高。由表4可知，當(dāng)連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時，560 ℃稍高于珠光體冷卻轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度558 ℃，在560 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行等溫控制，促使組織向珠光體轉(zhuǎn)變而不轉(zhuǎn)變成貝氏體組織[8]。

從圖4(d)、圖8(a)和8(b)可以看出，當(dāng)以連續(xù)冷卻速度2 ℃/s冷卻至室溫時，轉(zhuǎn)變組織內(nèi)含有貝氏體組織；從表3和表5可以看出，組織維氏硬度高于在560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時的維氏硬度。過冷奧氏體以連續(xù)冷卻速度進(jìn)行轉(zhuǎn)變時孕育期要比等溫轉(zhuǎn)變時的時間長，組織轉(zhuǎn)變溫度低，因此當(dāng)以連續(xù)冷卻速度2 ℃/s冷卻至室溫時，轉(zhuǎn)變組織中的貝氏體含量和維氏硬度值高于560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后以連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s時轉(zhuǎn)變組織的貝氏體含量和維氏硬度。

在560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度分別為3和4 ℃/s，等溫時間分別為10和20 min時，組織未完成轉(zhuǎn)變，在等溫過程結(jié)束后的連續(xù)冷卻過程中繼續(xù)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。由于在等溫轉(zhuǎn)變過程中絕大部分過冷奧氏體已經(jīng)轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體，在等溫轉(zhuǎn)變后的連續(xù)冷卻過程中，生成少量的鐵素體、珠光體或貝氏體。等溫10 min后以3 ℃/s速度連續(xù)冷卻的比等溫20 min后以相同速度連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織中，貝氏體含量和維氏硬度要稍高些。等溫10 min后以4 ℃/s速度連續(xù)冷卻的比等溫20 min后以相同速度連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變組織中，貝氏體含量和維氏硬度要稍高些。在相同的560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后，轉(zhuǎn)變組織中貝氏體含量和維氏硬度隨等溫時間和冷卻速度不同，按下面次序變化：等溫20 min，以3 ℃/s速度連續(xù)冷卻的，小于等溫10 min，以3 ℃/s速度連續(xù)冷卻的，小于等溫20 min，以4 ℃/s速度連續(xù)冷卻的，小于等溫10 min，以4 ℃/s速度連續(xù)冷卻的。

5 結(jié)論

通過熱膨脹法測量得到各相變點(diǎn)臨界溫度：Ac1為735 ℃、Ac3為828 ℃、Ar1為616 ℃、Ar3為722 ℃。

當(dāng)過冷奧氏體在連續(xù)冷卻速度分別為0.1、0.5、1 ℃/s以及在560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度為2 ℃/s，等溫時間分別為10和20 min時，轉(zhuǎn)變組織為鐵素體+珠光體，維氏硬度依次為250、267、285、294和296 HV5。對于該非調(diào)質(zhì)鋼材料鍛造后需要獲得鐵素體+珠光體組織和不同的硬度時，可以對應(yīng)參考上述的冷卻控制工藝。

當(dāng)過冷奧氏體在560 ℃等溫轉(zhuǎn)變前后的連續(xù)冷卻速度分別為3和4 ℃/s，等溫的時間分別為10和20 min時，轉(zhuǎn)變組織為鐵素體+珠光體+(微量或少量)貝氏體，維氏硬度為309、303、317和314 HV5。對于該非調(diào)質(zhì)鋼材料鍛造后需要獲得鐵素體+珠光體+微量或少量貝氏體組織和不同的硬度時，可以對應(yīng)參考上述的冷卻控制工藝。