汽車用鋼的顯微組織和力學(xué)及耐磨性能研究

時(shí)紅宇

(安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系,安徽 合肥 230601)

0 引言

耐磨鋼在汽車、體育器械和采礦等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用,而目前采用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)的耐磨鋼普遍存在表層脫碳和成分不均勻等問題[1]。近年來,在德國西馬克公司、意大利達(dá)涅利公司和奧鋼聯(lián)公司CONROLL等國外公司先進(jìn)連鑄連軋生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上,我國也通過引進(jìn)和再吸收將連鑄連軋工藝應(yīng)用在耐磨鋼的制備上[2],這種連鑄連軋工藝具有生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[3],且可以有效解決板坯成分偏細(xì)小、組織均勻等問題[4]。結(jié)合我國汽車用鋼存在硬度低、壽命短的使用現(xiàn)狀[5],擬從連鑄連軋和熱處理角度出發(fā),對比分析連鑄連軋和傳統(tǒng)熱軋低合金耐磨鋼以及后續(xù)熱處理工藝對組織、力學(xué)和耐磨性能的影響,其結(jié)果可為低成本、高耐磨性和長壽命的汽車用耐磨鋼的開發(fā)提供技術(shù)支撐,并有助于更好地滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用需求。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)基材為連軋生產(chǎn)的連鑄連軋低合金耐磨鋼(厚度3.4 mm的SCM430鋼板),采用ICP-6800S型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測得其主要元素成分如表1.選取傳統(tǒng)熱軋方式生產(chǎn)的同型號SCM430鋼板進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能對比,并選取了不同型號的45#鋼、16 Mn鋼和Q355鋼板進(jìn)行顯微組織和耐磨性對比分析。

表1 SCM430鋼各元素化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the SCM430 steel

對連鑄連軋SCM430鋼板和傳統(tǒng)熱軋SCM430鋼板進(jìn)行淬火和回火熱處理。淬火工藝為:從室溫按照10 ℃/min升溫速率加熱至875 ℃,保溫0.5 h后進(jìn)行油淬冷卻處理;回火工藝為:從室溫按照10 ℃/min升溫速率加熱至225 ℃,保溫0.5 h后爐冷至室溫。連鑄連軋SCM430鋼板和傳統(tǒng)熱軋SCM430鋼板的調(diào)質(zhì)熱處理工藝相同。

采用線切割的方法從連鑄連軋態(tài)、淬火態(tài)和回火態(tài)鋼板上取塊狀金相試樣,金相組織觀察面如圖1(a),經(jīng)過60#—1 000#砂紙逐級打磨和拋光后,采用體積分?jǐn)?shù)3.5%的硝酸酒精溶液腐蝕,置于Olymplus-GX51型光學(xué)顯微鏡上觀察;洛氏硬度試樣取樣與金相試樣相同,拋光態(tài)試樣在NEMESIS 6200型洛氏硬度計(jì)上進(jìn)行洛氏硬度測試,測試結(jié)果為3點(diǎn)平均值;縱向拉伸試樣在MTS-809型液壓伺服萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試,拉伸速率為2 mm/min,最終結(jié)果為3組試樣平均值;加工10 mm×10 mm×55 mm的V型沖擊缺口試樣(缺口深度2 mm),在CEAST 9340型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫和-40 ℃沖擊性能測試,最終結(jié)果為3組試樣平均值;在MLS-23磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn),取樣見圖1(b),測試相對耐磨性ε(準(zhǔn)試樣失重/Δm)評價(jià)各試樣用鋼的耐磨性;采用JEOL 7600F型鎢燈絲掃描電鏡觀察沖擊斷口形貌和磨損形貌。

圖1 試驗(yàn)用鋼的測試示意圖Fig.1 Test diagram of experimental steel

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2為連鑄連軋SCM430鋼的光學(xué)顯微組織,包括原始連鑄連軋態(tài)、淬火態(tài)和回火態(tài)試樣。連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的金相組織為灰白色塊狀F+黑色細(xì)密P+少量針狀F,可見寬度約為6～18 μm的帶狀組織特征;淬火態(tài)SCM430鋼的組織為細(xì)小針狀M+少量殘余A;回火態(tài)SCM430鋼的組織為細(xì)小回火M,經(jīng)過低溫回火處理后,少量殘余A已基本分解。

圖3為傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的光學(xué)顯微組織,包括原始傳統(tǒng)熱軋態(tài)、淬火態(tài)和回火態(tài)試樣。傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的金相組織為F+P,組織相對連鑄連軋態(tài)更為粗大,晶粒尺寸約為38 μm;經(jīng)過淬火處理后,淬火態(tài)SCM430鋼的組織為粗大針狀M+粗大板條M+少量殘余A;進(jìn)一步低溫回火處理后,少量殘余A也已基本分解,組織為回火M.與圖2所示的回火態(tài)SCM430鋼相比,傳統(tǒng)熱軋SCM430鋼經(jīng)過相同淬火和回火處理后,組織相對粗大。

表2為不同狀態(tài)的SCM430鋼的洛氏硬度測試結(jié)果。原始連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的洛氏硬度為26.7 HRC,約為傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的1.40倍;經(jīng)過淬火處理和回火處理后,兩種不同初始狀態(tài)SCM430鋼的洛氏硬度都有不同程度提高。且對比分析可知,連鑄連軋SCM430鋼經(jīng)過淬火處理和回火處理后的洛氏硬度都要高于相同熱處理工藝下的傳統(tǒng)熱軋SCM430鋼。連鑄連軋SCM430鋼經(jīng)過回火后的洛氏硬度高達(dá)51.6 HRC,約為傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼經(jīng)過相同熱處理工藝下的1.20倍。究其原因,這主要是因?yàn)檫B鑄連軋態(tài)SCM430鋼具有相對傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼更加細(xì)小的F和P組織,使得相同淬火和回火工藝處理后的回火M組織更加細(xì)小[6],因此,相同工藝下后者的硬度會偏低;而回火態(tài)硬度低于淬火態(tài),這是因?yàn)橛捕容^高的淬火M在回火過程中會發(fā)生分解而形成硬度相對較低的回火M,以及回火處理可以消除內(nèi)部殘余應(yīng)力和脆性[7-8]。

表2 SCM430鋼的洛氏硬度Table 2 Rockwell hardness of SCM430 steel

表3為不同狀態(tài)SCM430鋼的拉伸性能和沖擊性能測試結(jié)果。原始連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都高于傳統(tǒng)熱軋態(tài),而斷后伸長率較低;經(jīng)過相同淬火和回火工藝處理后,原始連鑄連軋態(tài)和傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的強(qiáng)度都有明顯上升,而斷后伸長率有一定程度降低,前者的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度約為后者的1.49倍和1.51倍。連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的室溫和-40 ℃沖擊功分別為48 J和19 J,而回火處理后的室溫和-40 ℃沖擊功分別達(dá)到75 J和64 J;傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的室溫和-40 ℃沖擊功分別為34 J和25 J,而回火處理后的室溫和-40 ℃沖擊功分別達(dá)到51 J和41 J.

表3 SCM430鋼的拉伸性能和沖擊性能Table 3 Tensile and impact properties of SCM430 steel

圖4為SCM430鋼的-40 ℃沖擊斷口形貌?？梢?連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的-40 ℃沖擊斷口中主要為解理開裂,局部可見細(xì)小韌窩和撕裂棱,而傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的-40 ℃沖擊斷口中基本都為解理斷裂。經(jīng)過淬火和回火處理后,連鑄連軋-淬回火試樣的-40 ℃沖擊斷口主要由韌窩和撕裂棱組成,屬于韌性斷裂;而傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的-40 ℃沖擊斷口主要為準(zhǔn)解理開裂特征,沖擊韌性相對連鑄連軋-淬回火試樣較差。綜合而言,經(jīng)過淬火和回火處理后,韌窩和撕裂棱可以在沖擊過程中吸收更多的能量而具有相對更高的沖擊功[9],而相同淬回火工藝下原始狀態(tài)為連鑄連軋的SCM430鋼具有更好的沖擊韌性,這主要是因?yàn)檫B鑄連軋態(tài)SCM430鋼經(jīng)過淬火和回火處理后得到了細(xì)小回火M組織有關(guān)[10-11]。

圖4 SCM430鋼的-40 ℃沖擊斷口形貌Fig.4 Impact fracture morphology of SCM430 steel at -40 ℃

2.2 耐磨性能

選取目前市場上常見的工程用熱軋態(tài)45#鋼、16Mn鋼和Q355鋼進(jìn)行顯微組織和耐磨性對比。傳統(tǒng)熱軋態(tài)對比試樣的光學(xué)顯微組織如圖5.3種鋼的顯微組織中都可見塊狀F和片層狀P,且相對而言,熱軋態(tài)45#鋼和16Mn鋼的鐵素體含量要低于熱軋態(tài)Q355鋼。

圖5 傳統(tǒng)熱軋態(tài)汽車用鋼的光學(xué)顯微組織Fig.5 Optical microstructure of traditional hot-rolled steel for automobile

表4為連鑄連軋-淬回火態(tài)SCM430鋼(CSP-QT-SCM430)與熱軋態(tài)45#鋼、16Mn鋼和Q355鋼的磨損失重和相對耐磨性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可見,磨損失重從高至低順序?yàn)?Q355,16Mn,45#,CSP-QT-SCM430,CSP-QT-SCM430的相對耐磨性達(dá)到傳統(tǒng)熱軋Q355鋼的1.70倍,顯示出了較高的耐磨性。

表4 SCM430鋼的磨損失重和相對耐磨性Table 4 Wear loss and relative wear resistance of SCM430 steel

圖6為相同磨損條件下SCM430鋼的表面磨損形貌。對比分析可知;CSP-QT-SCM430鋼的表面除有沿磨料磨損方向分布的較淺的切削溝痕外,整體較為平整;熱軋態(tài)45#鋼、16 Mn鋼和Q355鋼的磨損表面的溝痕相對較深,局部可見犁溝反復(fù)塑性變形而產(chǎn)生的尺寸不等的剝落坑。且熱軋態(tài)Q355鋼由于耐磨性能相對較差而剝落較為嚴(yán)重,表面磨損形貌的觀察結(jié)果與表4的磨損失重和相對耐磨性測試結(jié)果相吻合。

圖6 SCM430鋼的表面磨損形貌Fig.6 Wear morphology of the surface of SCM430 steel

根據(jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果可知,CSP-QT-SCM430鋼的組織為回火M,硬度較高,而具有F和P組織的45#鋼、16Mn鋼和Q355鋼的硬度相對較小,而在低應(yīng)力磨料磨損條件下,汽車用鋼的耐磨性主要與材料表面硬度密切相關(guān),而與材料的塑性和沖擊韌性等相關(guān)性較小[12-13]。在濕砂橡膠輪磨料磨損試驗(yàn)過程中,犁溝、顯微切削和疲勞剝落是其主要磨損機(jī)制,其前提是石英砂磨粒在磨損過程中壓入汽車用鋼表面,而材料硬度的高低在很大程度上決定了磨粒壓入汽車用鋼表面的深淺。當(dāng)材料表面硬度較高時(shí),石英砂磨粒壓入CSP-QT-SCM430鋼表面的深度較淺,只會在材料表面產(chǎn)生較淺的犁溝,不會造成材料表面發(fā)生大面積的塑性變形,除在長時(shí)間反復(fù)碾壓作用下形成疲勞剝落磨損外,難以發(fā)生大面積塊狀剝落;當(dāng)材料表面硬度較低時(shí),石英砂磨粒壓入熱軋45#鋼、16Mn鋼和Q355鋼表面較深,磨粒會在試樣表面產(chǎn)生纖維切削或者犁切,局部會發(fā)生塑性變形并在反復(fù)碾壓作用下形成塊狀剝落[14]。SCM430鋼由于原始連鑄連軋板坯具有較細(xì)的F和P組織而使得淬回火后CSP-QT-SCM430鋼具有細(xì)小回火M組織,且由于SCM430鋼為低合金鋼,在淬火與回火過程中基體組織中還會析出具有第二相強(qiáng)化作用的納米級析出相[15],因此,硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性較高的CSP-QT-SCM430鋼會具有相對更好的耐磨性。

3 結(jié)論

1)連鑄連軋態(tài)和傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的組織為F+P,淬火后組織為M+A,回火后組織為M.

2)原始連鑄連軋態(tài)SCM430鋼的洛氏硬度為26.7 HRC,約為傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的1.40倍;連鑄連軋SCM430鋼經(jīng)過回火后的硬度高達(dá)51.6 HRC,約為傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼經(jīng)過相同熱處理工藝下的1.20倍。經(jīng)過相同淬火和回火工藝處理后,原始連鑄連軋態(tài)和傳統(tǒng)熱軋態(tài)SCM430鋼的強(qiáng)度都有明顯上升,而斷后伸長率有一定程度降低,前者的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度約為后者的1.49倍和1.51倍。

3)汽車用鋼的磨損失重從高至低順序?yàn)?Q355,16Mn,45#,CSP-QT-SCM430;CSP-QT-SCM430的相對耐磨性達(dá)到傳統(tǒng)熱軋Q355鋼的1.70倍,顯示出了較高的耐磨性,這主要與其具有細(xì)小回火M組織以及會在淬回火過程中產(chǎn)生第二相強(qiáng)化有關(guān)。