回火冷卻速率對(duì)30CrMnSiA 組織與性能的影響①

李 豐， 許 磊， 饒 金， 李彩虹， 周玉成， 王 琴， 張海盟

（1.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330096；2.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000；3.南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063）

30CrMnSiA 鋼屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度高，加工性能、抗疲勞性能好，但焊接性能較差，實(shí)際生產(chǎn)中一般經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 調(diào)質(zhì)后的30CrMnSiA 鋼有很高的強(qiáng)度和足夠的韌性，可用于制作砂輪軸、齒輪、鏈輪等，在航空航天領(lǐng)域被廣泛用于制造各種重要鍛件、機(jī)械加工零件及緊固件等[1-3］。 然而，在熱處理過程中，30CrMnSiA 鋼容易產(chǎn)生回火脆性，從而導(dǎo)致材料性能降低。 因此，消除熱處理中產(chǎn)生的回火脆性非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)鋼件熱處理過程中冷卻速度與力學(xué)性能的關(guān)系已開展了部分研究工作，發(fā)現(xiàn)回火溫度對(duì)高冷速試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響大于對(duì)低冷速試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響[4］；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)正火12Cr1MoV 鋼的回火脆化在較高溫區(qū)和較低溫區(qū)具有兩種不同的冷速敏感性[5］：較低溫區(qū)（＜640 ℃），隨回火溫度降低，爐冷試樣具有較高的脆化敏感性，空冷試樣脆化程度得到改善；較高溫區(qū)（＞640 ℃）爐冷和空冷試樣的脆化敏感性差別不大。 回火時(shí)所用介質(zhì)的冷速越高，鋼強(qiáng)度及硬度越高，但伸長(zhǎng)率會(huì)降低；冷卻速率較快時(shí)，由于形成碳化物所需的C、Cr 元素?cái)U(kuò)散時(shí)間少，碳化物尺寸減小， 分布更加彌散均勻[6-11］。 目前針對(duì)30CrMnSiA 鋼回火相關(guān)的研究主要集中在回火溫度對(duì)其性能的影響，關(guān)于回火冷速對(duì)其性能影響方面的研究較少。 本文對(duì)30CrMnSiA 鋼進(jìn)行不同冷速下的回火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)回火后樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試及微觀組織分析，探究回火冷卻速率對(duì)30CrMnSiA 鋼性能的影響及其組織演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

采用退火態(tài)30CrMnSiA 鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鋼材成分如表1 所示。 先進(jìn)行淬火及回火實(shí)驗(yàn)，并對(duì)熱處理后的樣品進(jìn)行加工。 參照GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，選擇全尺寸夏比V 型缺口，使用線切割機(jī)對(duì)棒材進(jìn)行加工，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，如圖1 所示。 去除線切割加工試樣表面的油污及氧化部分，并用酒精洗凈后烘干。

表1 30CrMnSiA 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

將切割后的樣品放入空氣電爐中進(jìn)行淬火及回火處理，淬火工藝方案為：以升溫速率10 ℃／min 將電爐升溫到900 ℃，到溫裝樣，保溫30 min，油冷；回火工藝方案為：510 ℃回火，到溫裝樣，保溫60 min；冷卻方式為：油冷、15%pag 淬火劑冷卻、5.3%pag 淬火劑冷卻。樣品熱處理工藝見表2。

表2 30CrMnSiA 樣品熱處理工藝

對(duì)熱處理后樣品進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，在棒材中間位置取樣，每組樣品進(jìn)行3 次沖擊實(shí)驗(yàn)，取平均值作為該樣品沖擊韌性值。 而后對(duì)沖擊后樣品進(jìn)行硬度測(cè)試。

使用XSTRESS 3000 型X 射線應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)部分熱處理后的樣品表面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)前把表面打磨平整，測(cè)試過程中樣品不能移動(dòng)，每次測(cè)量樣品表面3 個(gè)點(diǎn)的值，取平均值。 殘余應(yīng)力測(cè)試包括樣品表面及樣品內(nèi)部4 mm 處，側(cè)面為表面樣品在距離尾端4 mm 左右切割的一個(gè)小方塊，如圖2 所示。

圖2 樣品側(cè)面及樣品切割位置

在斷口附近截取金相試樣，打磨后使用5%硝酸酒精腐蝕15 s。 采用ZXcamera-1600 型光學(xué)顯微鏡及Nova Nano SEM450 型掃描電鏡對(duì)30CrMnSiA 鋼微觀組織進(jìn)行觀察，采用xstress-3000 型殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試樣品表面殘余應(yīng)力，采用瑞典IVF 冷卻特性測(cè)試儀測(cè)試3 種冷卻介質(zhì)的冷卻特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 硬度分析

樣品硬度測(cè)試結(jié)果見表3。 從表3 可以看出，冷卻速率對(duì)樣品硬度影響較小，3 組樣品硬度無太大差別。

表3 樣品硬度測(cè)試結(jié)果

2.1.2 沖擊性能分析

樣品沖擊性能測(cè)試結(jié)果見表4，最后的沖擊韌性值為多個(gè)樣品測(cè)試后的平均值。 從表4 可以看出，隨著冷卻速率增加，樣品沖擊性能逐漸提高，但提升幅度不大。

表4 樣品沖擊性能測(cè)試結(jié)果

2.1.3 殘余應(yīng)力分析

樣品表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表5。 從表5 可以看出，油冷的冷卻速率最低，其表面殘余應(yīng)力也最?。?.3%pag 淬火劑冷卻樣品殘余應(yīng)力最大；油冷樣品表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，距表面4 mm 處的內(nèi)部殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。 這是因?yàn)楣ぜ诩訜岷屠鋮s過程中，表層和心部的冷卻速率和冷卻時(shí)間不一致形成溫差，導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力作用下，表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部，使心部受拉，冷卻結(jié)束時(shí)，心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受到壓應(yīng)力、心部受到拉應(yīng)力。 這種現(xiàn)象受到冷卻速率、材料成分和熱處理工藝等因素的影響。 冷卻速率越高，含碳量和合金成分越高，冷卻過程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形越大，最終產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也越大[12-16］。

表5 樣品表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.2 微觀組織分析

對(duì)回火后樣品進(jìn)行顯微組織分析，結(jié)果如圖3 所示。 回火后樣品組織均為回火索氏體、少量鐵素體和碳化物，碳化物在晶界和晶粒內(nèi)部彌散析出。

圖3 回火后樣品SEM 圖

對(duì)3 個(gè)樣品放大后可以觀察到鐵素體基體上有細(xì)小的顆粒狀碳化物，對(duì)碳化物采用點(diǎn)掃描方式進(jìn)行能譜分析，觀察碳化物元素含量，結(jié)果如圖4 ～6 所示。其中樣品1 碳化物中C 元素含量為54.80%、樣品2 碳化物中C 元素含量為43.99%、樣品3 碳化物中C 元素含量為37.90%，呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。 3 種冷卻介質(zhì)的冷卻速率為：油＜15%pag 淬火劑＜5.3%pag 淬火劑，在冷卻過程中，碳化物會(huì)沿晶界和晶粒內(nèi)部彌散析出，冷卻速率越大，樣品停留在碳化物析出敏感區(qū)間的時(shí)間越短，基體上析出的碳化物越少，則在能譜中觀察到C 元素含量越少。 從元素種類上來看，C 主要與Fe 結(jié)合形成鐵碳化合物，少量C 與Cr、Si 元素形成鉻碳化合物、硅碳化合物。 3 種冷卻介質(zhì)在510 ℃下的最大冷速分別為40.5 ℃／s、79.8 ℃／s、111.7 ℃／s，屬于快速冷卻，在該冷速條件下碳化物含量較少（見圖3），說明在快速冷卻條件下冷速對(duì)碳化物含量影響較小。

圖4 樣品1 能譜分析結(jié)果

圖5 樣品2 能譜分析結(jié)果

圖6 樣品3 能譜分析結(jié)果

一般來說，回火溫度越高，碳化物尺寸越大。 碳化物的生長(zhǎng)除受溫度影響外，還受到冷卻速率的影響。碳化物的生長(zhǎng)需要基體中的C、Cr 等元素?cái)U(kuò)散析出，隨著冷卻速率增加，碳化物生長(zhǎng)時(shí)間減少，遠(yuǎn)程的原子擴(kuò)散不充分，無法滿足碳化物繼續(xù)長(zhǎng)大的成分需求[17］。 因此，回火過程中冷速越快，樣品中碳化物尺寸越小。 本文研究的3 組樣品冷速都較大，從圖3 看出，3 組樣品的碳化物尺寸都較小，沒有明顯差別。

3 結(jié)論

1） 回火冷速對(duì)30CrMnSiA 硬度影響較小；隨著回火冷卻介質(zhì)冷卻速率增加，30CrMnSiA 樣品沖擊性能小幅提高。

2） 30CrMnSiA 經(jīng)510 ℃回火后的樣品表面主要受到壓應(yīng)力、心部受到拉應(yīng)力，隨著回火冷卻速率增加，樣品表面受到的壓應(yīng)力增加，回火冷卻速率越快，冷卻后樣品表面殘余應(yīng)力越大。

3） 冷卻過程中，30CrMnSiA 鋼中碳化物會(huì)沿晶界及晶粒內(nèi)部彌散析出，冷卻速率越大，樣品停留在碳化物析出敏感區(qū)間的時(shí)間越短，基體上析出的碳化物越少。 回火過程中C 元素主要與Fe 元素結(jié)合形成鐵碳化合物，少量C 元素與Cr、Si 元素形成鉻碳化合物、硅碳化合物。 在快冷范圍內(nèi)冷速對(duì)碳化物含量及尺寸影響較小。