回火工藝對(duì)40CrNiMo鋼組織與性能的影響

王浩楠,閆晉文,李順強(qiáng),劉吉梓

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

40CrNiMo鋼因其高強(qiáng)度、優(yōu)異的綜合力學(xué)性能及良好的抗過(guò)熱穩(wěn)定性等常用于制造重型機(jī)械中強(qiáng)度高、截面尺寸大、復(fù)雜的承載或傳動(dòng)零部件,如汽輪機(jī)軸、葉片、傳動(dòng)軸等[1]。40CrNiMo合金是Cr-Ni-Mo系優(yōu)質(zhì)高淬透性調(diào)質(zhì)鋼的典型代表,其中Cr、Ni等元素的添加能提高合金的淬透性并提高顯微組織中鐵素體的強(qiáng)度和韌性;而Mo、Cr等元素能促進(jìn)碳化物的形成,可抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大,防止回火脆性出現(xiàn)[2]。

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,恰當(dāng)?shù)剡x擇熱處理工藝制度是滿足各種零部件不同性能要求的重要保障。40CrNiMo鋼常用的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理,即淬火和高溫回火[3]。為了進(jìn)一步提高其強(qiáng)韌性及其他特殊性能,一些特殊熱處理工藝如亞溫淬火[4]、深冷處理[5]、表面淬火[6]及表面化學(xué)熱處理[7]等也會(huì)用來(lái)替換或增加到常規(guī)熱處理工藝中。對(duì)于常規(guī)調(diào)質(zhì)處理,主要根據(jù)鋼的臨界溫度(Ac3)確定完全淬火溫度,通常選擇Ac3+(30～50)℃[8]。因此,回火工藝的選擇至關(guān)重要。以往的研究[9]多認(rèn)為40CrNiMo鋼最佳回火溫度≥600 ℃,抗拉強(qiáng)度約1 000 MPa,而對(duì)400～600 ℃回火時(shí)組織演變規(guī)律及其力學(xué)性能的研究尚不充分[10]。為發(fā)掘該類鋼的性能潛力,以提高其服役壽命并進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍,有必要系統(tǒng)地研究回火溫度、回火時(shí)間對(duì)其組織演變、力學(xué)性能的影響規(guī)律,探索最佳熱處理工藝窗口,為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的實(shí)驗(yàn)支撐和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)鋼由國(guó)內(nèi)某廠家提供,其主要化學(xué)成分如表1所示。利用熱膨脹法測(cè)得實(shí)驗(yàn)鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度Ac1≈730 ℃,Ac3≈800 ℃。為了將組織完全奧氏體化,同時(shí)保證奧氏體不至于過(guò)度長(zhǎng)大,選擇實(shí)驗(yàn)淬火溫度為850 ℃,保溫0.5 h,淬火介質(zhì)為機(jī)油。淬火組織為全馬氏體組織,反映了實(shí)驗(yàn)鋼良好的淬透性。為了研究回火工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼組織性能的影響,首先對(duì)淬火鋼在400～550 ℃進(jìn)行回火處理,保溫時(shí)間為2 h;隨后在最佳回火溫度下,選擇不同的回火時(shí)間(0.5～6 h)。淬火和回火的加熱過(guò)程均于管式加熱爐中完成,保護(hù)氣氛為氬氣。

表1 40CrNiMo鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表 %

利用線切割技術(shù)切割出合適尺寸的試樣,并按照標(biāo)準(zhǔn)的制樣方法制備樣品,以滿足組織觀察和性能測(cè)試的要求。利用FEI Quanta 250F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)和Zeiss Auriga雙束系統(tǒng)掃描電鏡的電子背散射衍射(Electron backscatter diffraction,EBSD)觀察顯微組織特征。利用HMV-G21DT島津維氏顯微硬度儀測(cè)量顯微硬度,載荷為4.9 N,加載時(shí)間為10 s。拉伸實(shí)驗(yàn)在Instron 5982綜合力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,應(yīng)變速率為10-3s-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 回火溫度對(duì)組織和性能的影響

實(shí)驗(yàn)鋼在不同回火溫度下的顯微硬度和拉伸性能如圖1所示。由圖1(a)可知,隨回火溫度升高,試樣的硬度單調(diào)下降。400 ℃回火時(shí)硬度最高(465 HV),回火溫度低于450 ℃時(shí),組織軟化程度較低。回火溫度分別為470 ℃、510 ℃、550 ℃時(shí),實(shí)驗(yàn)鋼的顯微硬度分別為422 HV、400 HV、360 HV?；鼗饻囟仍礁?組織軟化越嚴(yán)重。因?yàn)闇囟壬?元素?cái)U(kuò)散遷移加快,促進(jìn)滲碳體的形成、聚集長(zhǎng)大,同時(shí)內(nèi)應(yīng)力的降低、鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶也會(huì)加速實(shí)驗(yàn)鋼硬度的降低。

圖1 回火溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼顯微硬度和拉伸性能 的影響曲線圖

由圖1(b)可以看出,所有試樣均為連續(xù)屈服,經(jīng)不同溫度回火的試樣的彈性模量約200 GPa,基本一致。根據(jù)工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線統(tǒng)計(jì)出力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律如圖1(c)所示。實(shí)驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均隨回火溫度的升高逐漸降低,與顯微硬度變化趨勢(shì)保持一致。在此回火溫度范圍內(nèi),均勻延伸率的變化并不明顯,隨回火溫度的升高略有增加。結(jié)合強(qiáng)度、塑性指標(biāo)可知,實(shí)驗(yàn)鋼在450 ℃回火時(shí),綜合力學(xué)性能最為優(yōu)異,硬度約為440 HV,屈服強(qiáng)度為1 180 MPa,抗拉強(qiáng)度為1 310 MPa,均勻延伸率為4.5%,總延伸率約為15%。

為了闡明實(shí)驗(yàn)鋼在回火過(guò)程中的組織演變規(guī)律,利用SEM和EBSD對(duì)450 ℃、510 ℃和550 ℃ 3種回火溫度下的顯微組織特征進(jìn)行觀察,如圖2和圖3所示。由圖2可以看出,實(shí)驗(yàn)鋼被回火處理后,淬火馬氏體已基本完全分解,形成鐵素體和滲碳體的混合組織。450 ℃回火時(shí),顯微組織主要由鐵素體、短棒狀或薄片狀滲碳體、少量細(xì)粒狀滲碳體組成,如圖2(a)和2(b)所示。大量鐵素體仍保持板條狀/針狀,而部分區(qū)域鐵素體呈等軸狀,說(shuō)明此時(shí)鐵素體已發(fā)生了回復(fù)且部分區(qū)域發(fā)生了再結(jié)晶,顯微組織包括回火屈氏體和少量回火索氏體。隨著回火溫度的升高,再結(jié)晶程度增大,多邊形等軸鐵素體逐漸增多。同時(shí),滲碳體顆粒發(fā)生球化,逐漸失去析出初期的棒狀或薄片狀形態(tài),與基體逐漸脫離共格/半共格關(guān)系。碳化物逐漸聚集長(zhǎng)大,最終形成粗粒狀滲碳體。隨著溫度的升高,回火屈氏體比例逐漸減小,回火索氏體逐漸增多。當(dāng)回火溫度為550 ℃時(shí),顯微組織包括多邊形等軸鐵素體、彌散分布的粗粒狀滲碳體,形成典型的回火索氏體組織,如圖2(e)和2(f)所示。

圖2 不同回火溫度下顯微組織SEM形貌圖

圖3(a)、(c)、(e)為實(shí)驗(yàn)鋼在不同回火溫度時(shí)的顯微組織EBSD質(zhì)量圖,圖3(b)、(d)、(f)為實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織EBSD取向圖。450 ℃回火時(shí),顯微組織形態(tài)以板條狀為主,板條寬度為0.2～0.7 μm,平均尺寸約為0.46 μm。圖3(a)中可以明顯看到原奧晶界,尺寸約為22 μm。由對(duì)應(yīng)的取向圖可以看出,原奧氏體晶粒被取向不同的板條束分隔,明顯細(xì)化了原奧晶粒。510 ℃回火時(shí),組織逐漸多邊形化呈等軸狀,晶粒尺寸為0.3～1.1 μm,平均寬度約為0.7 μm。隨著溫度進(jìn)一步提高至550 ℃,板條組織已基本消失,基體以等軸鐵素體為主,晶粒尺寸為0.5～1.3 μm,平均尺寸約為0.9 μm。由EBSD結(jié)果可得,隨溫度升高,鐵素體發(fā)生再結(jié)晶,逐漸多邊形化,顯微組織逐漸由回火屈氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,這與SEM分析結(jié)果基本一致。同時(shí),由圖3(b)、(d)、(f)可知,回火組織基本沒(méi)有明顯的取向性。

圖3 不同回火溫度下組織的EBSD分析圖

2.2 回火時(shí)間對(duì)組織和性能的影響

回火時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響如圖4所示。450 ℃回火0.5 h時(shí),強(qiáng)度最高,但塑性最差,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別是1 292 MPa和1 370 MPa,均勻延伸率和總延伸率分別為3%和10.7%。隨著回火時(shí)間延長(zhǎng)至2 h,強(qiáng)度略有降低,但塑性明顯恢復(fù)。進(jìn)一步延長(zhǎng)回火時(shí)間,屈服強(qiáng)度約1 180 MPa,變化不大;抗拉強(qiáng)度由2 h時(shí)的1 310 MPa降低至6 h的1 260 MPa;均勻延伸率約3.7%～4.5%,總延伸率約15%,均變化不大。

圖4 回火時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能影響曲線圖

實(shí)驗(yàn)鋼在450 ℃不同回火時(shí)間條件下的顯微組織如圖5所示。高倍下可以發(fā)現(xiàn),回火0.5 h時(shí),碳化物析出較少,呈薄片狀或細(xì)粒狀,尺寸較小。隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng),滲碳體完全析出。如圖5(b)和5(c)所示,滲碳體呈彌散狀分布于鐵素體基體內(nèi),且相比于短時(shí)保溫有明顯的長(zhǎng)大傾向。然而,回火2 h和4 h時(shí)的顯微組織并無(wú)明顯差別,這說(shuō)明450 ℃回火時(shí),當(dāng)滲碳體析出且基體中碳含量降低至平衡值后,延長(zhǎng)回火時(shí)間對(duì)力學(xué)性能并無(wú)明顯改善。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

回火過(guò)程中馬氏體中C質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,這也是其硬度降低的基本原因。由于淬火馬氏體是碳高度過(guò)飽和的組織,因此這種組織是非常不穩(wěn)定的。同時(shí),較高位錯(cuò)密度和內(nèi)應(yīng)力的存在導(dǎo)致淬火組織具有極高的硬度,淬火后實(shí)驗(yàn)鋼的硬度大于700 HV。而隨后的回火過(guò)程,馬氏體分解,C化物析出和轉(zhuǎn)變,滲碳體形成與粗化,鐵素體回復(fù)和再結(jié)晶,組織轉(zhuǎn)變過(guò)程隨溫度的升高連續(xù)進(jìn)行?；鼗饻囟容^低或保溫時(shí)間較短,元素的擴(kuò)散遷移速度慢,滲碳體析出較少,多數(shù)C原子仍保留在晶格中,此時(shí)固溶強(qiáng)化起主要作用,因此組織具有較高的硬度和強(qiáng)度,但韌塑性較差。隨著回火溫度進(jìn)一步提高,滲碳體加速形核,與基體逐漸脫離共格/半共格關(guān)系,此時(shí)彌散強(qiáng)化逐漸起主要作用,但其影響小于固溶強(qiáng)化的減弱,故硬度和強(qiáng)度降低。此外,滲碳體聚集球化,鐵素體回復(fù)再結(jié)晶,進(jìn)一步導(dǎo)致硬度的降低。而滲碳體與基體脫離共格關(guān)系,組織中內(nèi)應(yīng)力的降低,均有助于提高實(shí)驗(yàn)鋼的韌塑性[11]。相比于較低溫度回火處理,實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)550 ℃回火后強(qiáng)度和硬度雖然明顯降低,但均勻延伸率有所提升。

圖5 450 ℃回火不同時(shí)間顯微組織的SEM形貌圖

結(jié)合顯微組織和力學(xué)性能分析可知,淬火實(shí)驗(yàn)鋼在450 ℃回火2 h時(shí)的綜合力學(xué)性能最佳。這是因?yàn)榇藭r(shí)回火組織中同時(shí)包含回火屈氏體和回火索氏體。回火屈氏體仍保留一定的馬氏體結(jié)構(gòu),因此硬度較高;而經(jīng)過(guò)了回復(fù)和部分再結(jié)晶的回火索氏體則具有較好的韌塑性。2種組織的混合物,平衡了各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此綜合力學(xué)性能最佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著回火溫度的升高,40CrNiMo鋼的顯微組織逐漸由回火屈氏體向回火索氏體轉(zhuǎn)變。組織中滲碳體逐漸聚集球化,由薄片狀或細(xì)粒狀向粗粒狀轉(zhuǎn)變;而鐵素體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,逐漸多邊形化。當(dāng)回火溫度高于550 ℃時(shí),組織是典型的回火索氏體組織。隨著回火時(shí)間增長(zhǎng),40CrNiMo鋼中滲碳體析出量越來(lái)越多,直到某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)滲碳體全部析出,在此之后顯微組織無(wú)明顯差別。

(2)隨著回火溫度的升高和回火時(shí)間的延長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度和硬度逐漸降低,而塑性有所恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)鋼在450 ℃回火2 h時(shí)的力學(xué)性能最優(yōu),硬度約為440 HV,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別是1 180 MPa和1 310 MPa,總延伸率約為15%。