T10A鋼快速球化退火工藝研究①

袁世丹， 李星逸*， 馬 野， 劉進(jìn)成

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.鶴崗市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢測中心，黑龍江 鶴崗 154101；3.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引 言

T10A是一種優(yōu)質(zhì)的碳素工具鋼，淬火后的硬度可達(dá)到62 HRC以上，可滿足大多數(shù)低溫下使用的工具用鋼要求，其生產(chǎn)和加工工藝也比合金工具鋼簡單，且產(chǎn)量大，成本低，而得到大量的應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，T10A鋼正火狀態(tài)的原材料硬度約為32 HRC(300 HB)，塑性和韌性較差，不利于切削加工，在隨后的淬火過程中易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，通常需要進(jìn)行球化退火處理，降低硬度，提高韌性，為后續(xù)的淬火和機(jī)械加工做準(zhǔn)備[1]。常用球化退火工藝主要包括：(1)普通球化退火工藝；(2)等溫球化退火工藝[2]；(3)周期球化退火工藝[3,4]；(4)快速球化退火工藝[5～9]。普通球化退火及等溫球化退火工藝奧氏體化時(shí)間或隨后等溫溫度較高且保溫較長時(shí)間[10]，且由于熱處理加熱時(shí)間較長，鋼的晶粒易于粗化，導(dǎo)致材料的韌性和塑性下降，不利于使鋼獲得綜合性能較好的細(xì)晶粒組織[11]。周期球化退火可比等溫球化退火縮短一半的時(shí)間[13]，但在工具尺寸很大或裝爐量很大的情況下，周期球化退火難以形成組織均勻的球狀珠光體，達(dá)到降低硬度，提高加工性能，為淬火做準(zhǔn)備的目的。快速球化退火奧氏體化時(shí)間較短，對于工件尺寸較大的工件并不適用，但對尺寸不大的工件可大大縮短熱處理時(shí)間，降低成本，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。文中嘗試通過縮短縮減材料升溫和降溫時(shí)間，與傳統(tǒng)工藝的對比，研究在不同快速球化退火熱處理工藝溫度和時(shí)間下，對T10A組織和性能的影響。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料選用Ф13×25mm的T10A碳素工具鋼若干，實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分及含量見表1。T10A鋼的臨界溫度，Ac1為730 ℃，Acm為800 ℃，Ar1為700 ℃。加熱設(shè)備為箱式電阻爐。用光學(xué)顯微鏡及JSM-7800F掃描電子顯微觀察各個(gè)球化退火工藝處理后的試樣的碳化物大小、分布、形貌等。布氏硬度計(jì)測量材料的硬度。用image pro plus 6.0軟件進(jìn)行碳化物顆粒統(tǒng)計(jì)分析。文中所設(shè)計(jì)的熱處理工藝如圖1至圖4。

表1 實(shí)驗(yàn)材料成分參數(shù)表

2 結(jié)果與討論

T10A鋼正火后的組織如圖5 d)所示，為偽共析的片狀珠光體組織，處理后的硬度為32 HRC。隨著球化退火時(shí)間的延長，金相組織中碳化物顆粒的尺寸逐漸均勻，片狀和棒狀碳化物組織逐漸減少(如圖5a)、b)、c))。這是由于普通球化退火形成粒狀碳化物是在不完全奧氏體化下，奧氏體內(nèi)碳濃度差較大，碳化物逐漸溶解，擴(kuò)散到低碳濃度區(qū)域；粒狀碳化物顆粒不是一直無限長大的，當(dāng)粒狀碳化物顆粒長大到一定尺寸后，將很難再繼續(xù)長大，這也與碳原子的擴(kuò)散有關(guān)。普通球化退火處理的T10A鋼，由于高溫下長時(shí)間保溫，其表面發(fā)生嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象，表層的硬度僅為45 HRA。

圖1 正火工藝

圖2 普通球化退火工藝

不同奧氏體化溫度球化處理的T10A鋼金相組織如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)760 ℃奧氏體化10 min，然后冷卻到650 ℃保溫60 min，已實(shí)現(xiàn)碳化物的球化，用時(shí)僅為75～80 min，時(shí)間大大縮短，但粒狀碳化物分布的均勻性和尺寸均勻性還需進(jìn)一步提升(如圖6a))；若經(jīng)780 ℃奧氏體化后，球化退火的試樣開始出現(xiàn)片狀碳化物，且隨著溫度的升高片狀碳化物逐漸增多；當(dāng)820 ℃奧氏體化時(shí)，組織中的碳化物已主要以片狀形式處在為主(如圖6b)、c)、d))。產(chǎn)生這一現(xiàn)象原因是隨著等溫溫度的升高，碳原子的擴(kuò)散能力以指數(shù)倍的形式增加，片狀碳化物迅速溶解，殘余碳化物質(zhì)點(diǎn)較少。在650 ℃等溫過程中，碳化物以片狀形式析出，在650 ℃等溫過程中片狀碳化物形成粒狀碳化物的速率較慢，而以片狀碳化物形式存在。

圖3 鋼等溫球化退火工藝

圖4 快速球化退火工藝

圖7為不同溫度等溫40 min后得到的金相組織金相圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)550 ℃等溫處理形成的粒狀碳化物顆粒尺寸要大于其他三者的，且沒有出現(xiàn)片狀碳化物，球化程度最高，但形成的粒狀碳化物(心部為鐵素體)相互接壤，呈現(xiàn)網(wǎng)狀，硬度為61 HRA(相當(dāng)于230 HB)硬度相對較高(如圖7a))。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在550 ℃時(shí)與TTT曲線鼻尖溫度最接近的溫度，孕育期最短，且溫度最低，單位時(shí)間內(nèi)碳原子的擴(kuò)散距離最短；另外在奧氏體化過程中，片狀碳化物被熔斷，形成不連續(xù)或聯(lián)系性減弱的非勻質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，但由于碳原子的擴(kuò)散激活能低，過飽和鐵素體不斷向外排出碳原子，碳原子分別向最鄰近的滲碳體處富集，形成尺寸較小的網(wǎng)狀碳化物。隨著保溫溫度的升高，碳化物顆粒開始逐漸彌散細(xì)小的分布在鐵素體基體上，而形成細(xì)小的碳化物顆粒，產(chǎn)生原因是由于碳原子擴(kuò)散能力的增強(qiáng)。可以看出7c)、d)中的碳化物彌散分布性最好，但由于保溫時(shí)間較短，碳化物顆粒沒有足夠的時(shí)間長大，形成的粒狀碳化物分布和大小較不均勻。由此將碳化物長大溫度定為650 ℃～700 ℃為宜。

圖5 T10A鋼普通球化退火及正火態(tài)金相組織

圖6 T10A鋼不同奧氏體化溫度球化退火的金相組織

圖7 T10A鋼不同碳化物長大溫度的金相組織

圖8 T10A不同等溫溫度金相組織

圖9 經(jīng)快速球化退火改進(jìn)工藝處理的T10A鋼金相組織

b)760 ℃保溫10 min后690 ℃保溫80 min

670 ℃、690 ℃、700 ℃下保溫60min后的金相組織如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)溫度下都實(shí)現(xiàn)了碳化物的球化，球化效果670 ℃<690 ℃<700 ℃。670℃下等溫60 min后，組織中還存在較少的片狀碳化物；690 ℃下保溫60min后，片狀碳化物已經(jīng)基本消失，但還存在緊密相連的細(xì)小粒狀碳化物，說明保溫時(shí)間還有所較短；700 ℃下保溫60min后，已獲得較好的球化效果，尺寸較大的粒狀碳化物顆粒較少，細(xì)小的碳化物顆粒增多，且晶粒尺寸不夠集中(如圖8d)所示)，表明還需進(jìn)一步延長碳化物顆粒長大的時(shí)間，以獲得尺寸更加均勻的粒狀碳化物。通過對比認(rèn)為690 ℃為等溫溫度并延長等溫時(shí)間。

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在690 ℃等溫70 min和80 min處理時(shí)，圖9a)中仍存在較少的棒狀碳化物，且晶粒大小和均勻性小于圖b)。圖a)中碳化物晶粒直徑集中分布于0.4～1.8 μm之間，硬度為54 HRA。當(dāng)700 ℃入爐并在760 ℃奧氏體化10min后，迅速轉(zhuǎn)移至690℃保溫80 min的快速球化退火改進(jìn)工藝，可獲得大量尺寸均勻的粒狀碳化物碳化物，其碳化物顆粒直徑集中分布于0.5～2 μm之間(如圖10)，硬度為52 HRA，其組織和硬度均滿足后續(xù)的機(jī)械加工和淬火要求。

表2 各球化退火工藝對比表

*為碳化物顆粒的直徑范圍、平均直徑和統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

圖10 T10A鋼760 ℃保溫10 min后690 ℃保溫80 min的快速球化退火改進(jìn)工藝的碳化物顆粒分析

由碳化物顆粒度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，從球化退火后心部碳化物晶粒均勻性看，快速球化退火改進(jìn)工藝>等溫球化退火>普通球化退火>文獻(xiàn)中的快速球化退火，且只有在球化退火改進(jìn)工藝中沒有出現(xiàn)片狀或棒狀及尺寸較大的碳化物(本文實(shí)驗(yàn)用鋼碳化物顆粒直徑集中分布于0.5～2 μm之間)，尺寸均勻性最好；從硬度上看，快速球化退火改進(jìn)工藝處理后的硬度與等溫球化處理的相同(52～53 HRA)，文獻(xiàn)中的快速球化退火的硬度偏高(53～55 HRA)，而普通球化退火由于碳化物顆粒較粗大，硬度最低(45～48 HRA)；從心部組織與表層組織的一致性上看，快速球化退火改進(jìn)工藝>等溫球化退火>普通球化退火，快速球化退火工藝的心部與表層組織基本保持一致，在快速球化退火改進(jìn)工藝中，心部完全球化，表層只有極少的短片狀碳化物。在心部基本完全球化的情況下，等溫球化退火處理的表層出現(xiàn)大量片狀碳化物，普通球化退火處理的表層出現(xiàn)大顆粒碳化物；從表層脫碳程度看，普通球化退火>等溫球化退火 >快速球化退火改進(jìn)工藝；從能耗、時(shí)間看，普通球化退火>等溫球化退火 >快速球化退火改進(jìn)工藝。

3 結(jié) 論

通過對T10A鋼快速球化退火工藝改進(jìn)，與其他球化退火工藝對比，獲得以下結(jié)論：

(1)Φ13mm的T10A鋼經(jīng)快速球化退火改進(jìn)工藝處理后，可獲得碳化物球化程度CS3級組織，碳化物顆粒均勻性，心部組織與表層組織的均勻性，均高于普通球化退火和等溫球化退火，且硬度與等溫球化退火一致。

(2)T10A鋼在球化退火過程中，在奧氏體化溫度下保溫時(shí)間越長，熱處理后，心部與表層組織的差異越大。