高強韌性B/M復(fù)相鋼的熱處理工藝研究

魏德強，張曉媛，王　榮，高　浩

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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高強韌性B/M復(fù)相鋼的熱處理工藝研究

魏德強，張曉媛，王榮，高浩

(桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

為了研究等溫淬火熱處理工藝對B/M復(fù)相鋼組織及其性能的影響，通過Jmatpro軟件模擬，得到溫度-相平衡圖及TTT曲線，運用JSM-5610LV掃描電鏡、JB-300半自動沖擊試驗機、HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計等進(jìn)行顯微組織、力學(xué)性能的測試和分析。分析結(jié)果表明，本實驗條件下理想的熱處理工藝參數(shù)為淬火溫度870 ℃、出液溫度318 ℃、等溫溫度370 ℃，組織為下貝氏體和馬氏體，沖擊韌性為28～30 J/cm2，硬度為45～47 HRC，硬韌性明顯改善。

復(fù)相鋼；顯微組織；力學(xué)性能

貝氏體組織具有良好的強韌性，且在強度相同情況下耐磨性更好[1]。20世紀(jì)50年代，Pickering等[2]提出的低碳Mo-B系貝氏體鋼，其抗拉強度可達(dá)到580～1170 MPa，但其沖擊韌性較差。20世紀(jì)70年代，方鴻生等[3]研制了Mn-B系空冷貝氏體鋼。2014年，王猛等[4]對60Si2Mn鋼盤條進(jìn)行300 ℃等溫淬火，其材料抗拉強度保持在1800 MPa以上。目前，國內(nèi)外研究主要集中在B/M復(fù)相鋼的組織和性能方面，而少有對其熱處理工藝的研究。為此，以低碳低合金鋼為實驗基材，依據(jù)等溫淬火熱處理工藝與淬火回火工藝原理，對其進(jìn)行沖擊試驗，以獲得B/M復(fù)相鋼的較為理想的熱處理工藝參數(shù)。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗用低碳低合金鋼為ZG30CrNiMo耐磨鋼，將其切割成15 mm×15 mm×60 mm的樣件，使用型號為SPECTRO MAXx直讀光譜儀對其進(jìn)行成分分析，經(jīng)多次測試取其平均值，結(jié)果如表1所示。

表1　試驗鋼化學(xué)成分

1.2實驗方法

將樣件按GB/T 229―2007相關(guān)要求加工成10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣。實驗時使用沖擊試樣進(jìn)行的熱處理工藝路線為：將沖擊試樣在型號為RXJ-4-13高溫箱式電阻爐中進(jìn)行奧氏體化，保溫60 min；然后將工件取出淬入淬火桶(Φ1000 mm×600 mm)；用紅外線測溫儀測量出液溫度，當(dāng)工件表面溫度降至Mf～Ms(240～350℃)時取出；再快速轉(zhuǎn)入型號為SX-4-10的低溫箱式電爐中等溫60 min；最后取出空冷。等溫淬火工藝如圖1所示。其中：TA為奧氏體化加熱溫度；TQ為出液溫度；Ac3為奧氏體加熱臨界點溫度；Ms為馬氏體開始轉(zhuǎn)變點溫度；A→P表示指奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；A→B表示指奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。

圖1　等溫淬火工藝Fig.1　Isothermal quenching process

將熱處理后的沖擊試樣在JB-300半自動沖擊試驗機上進(jìn)行沖擊試驗，在沖斷后的試樣上切取10 mm×10 mm×10 mm金相試樣，采用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計進(jìn)行硬度測試，并用JSM-5610LV掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1淬火溫度的確定

圖2為實驗材料經(jīng)JmatPro軟件模擬得到的溫度-相平衡圖。從圖2可看出，低于810 ℃時，鋼中組織主要是鐵素體和滲碳體；當(dāng)溫度達(dá)到810 ℃時，奧氏體轉(zhuǎn)變完成，轉(zhuǎn)變量為99.99%，所以其臨界點(Ac3)溫度為810 ℃。因而等溫淬火工藝奧氏體化溫度選取850、870、890 ℃，不同淬火溫度的熱處理工藝如表2所示。

圖2　溫度-相平衡圖Fig.2　The relationship between temperature and phase-equilibrium

淬火溫度/℃保溫時間/min出液溫度/℃等溫溫度/℃等溫時間/min850603183706087060318370608906031837060

不同淬火溫度對組織的影響如圖3所示。熱處理后的組織主要有馬氏體、貝氏體和少量碳化物。當(dāng)淬火溫度為850 ℃時，組織中還有塊狀鐵素體，繼續(xù)升高溫度到870 ℃時，熱處理后組織有貝氏體和馬氏體，當(dāng)繼續(xù)升高溫度到890 ℃，組織逐漸粗化。

圖4為不同淬火溫度對力學(xué)性能的影響。從圖4可看出，隨著淬火溫度的升高，硬度與沖擊韌性先增大后減小，組織由塊狀鐵素體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+馬氏體組織，繼續(xù)升高溫度，組織逐漸粗化。因此，當(dāng)淬火溫度為870 ℃時，其綜合力學(xué)性能最佳。

2.2出液溫度的確定

圖5為JmatPro仿真軟件模擬的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變(time，temperature，transformation，簡稱TTT)曲線。從圖5可看出，實驗試樣的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)和中溫轉(zhuǎn)變區(qū)的孕育期較短，馬氏體相變屬于非擴散型相變，若要獲得馬氏體，避免非馬氏體類組織轉(zhuǎn)變，在冷卻過程中必須有較大的冷卻速度，為此，使用濃度為5%的PAG溶液作為淬火介質(zhì)。PAG淬火介質(zhì)是由聚烷撐乙二醇聚合物加添加劑的水溶性淬火介質(zhì),相比于水有較慢的冷卻速度，相比于油具有較快的冷卻速度[5]。

馬氏體轉(zhuǎn)變量計算采用比較成熟的Koistinen-Marburge公式[6-7]：

圖3　淬火溫度對組織的影響Fig.3　The effect of quenching temperatures on the microstructure of acicular ferrite

圖4　淬火溫度對力學(xué)性能的影響Fig.4　The effect of quenching temperature on mechanical properties

圖5　TTT曲線Fig.5　TTT curve

fM(T)=1-exp[-k(Ms-T)],T≤Ms

(2)

其中：fM(T)表示馬氏體體積分?jǐn)?shù)；Ms為馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度；k為常數(shù)，一般取k=0.011。依據(jù)Koistinen-Marburge公式計算可知，生成10%、30%、50%馬氏體量所對應(yīng)的溫度分別為Ms-9 ℃，Ms-32 ℃，Ms-63 ℃；因而等溫淬火工藝選取的出液溫度為341、318、287 ℃，不同出液溫度的熱處理工藝如表3所示。

表3　不同出液溫度的熱處理工藝

不同出液溫度對組織的影響如圖6所示，熱處理后，組織主要有馬氏體、貝氏體和少量碳化物。當(dāng)出液溫度為341 ℃時，馬氏體量較少(約8%)；當(dāng)出液溫度為318 ℃時，馬氏體量已增加到26%；當(dāng)出液溫度繼續(xù)降低到287 ℃，馬氏體量約45%。

圖6　出液溫度對組織的影響Fig.6　The effect of liquid temperatures on the microstructure of acicular ferrite

不同出液溫度對力學(xué)性能的影響如圖7所示。從圖7(a)可看出，隨出液溫度的降低，硬度逐漸升高。從圖7(b)可看出，隨出液溫度的降低，沖擊韌性逐漸降低。因此，當(dāng)出液溫度為318 ℃時，其硬度和韌性配合最佳。

圖7　出液溫度對力學(xué)性能的影響Fig.7　The effect of liquid temperature on mechanical properties

2.3等溫溫度的確定

貝氏體組織形態(tài)比較復(fù)雜，常見的有上貝氏體和下貝氏體。貝氏體相變是半擴散型相變，轉(zhuǎn)變過程中只有碳原子的擴散運動，碳原子擴散能力弱，鐵素體在奧氏體晶內(nèi)或晶界內(nèi)某些界面上長成針狀并固溶較多的碳原子，但碳原子擴散運動難以逾越鐵素體的范圍，只能在鐵素體一定晶面上以細(xì)小彌散的碳化物形式析出，形成下貝氏體。鋼在較低的轉(zhuǎn)變溫度下獲得的貝氏體具有高強度[8]。因此，在相變過程中，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變時其轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)盡量低。等溫淬火工藝選取的等溫溫度為Ms+10 ℃、Ms+20 ℃、Ms+30 ℃。不同等溫溫度熱處理工藝如表4所示。

表4　不同等溫溫度的熱處理工藝

不同等溫溫度對組織的影響如圖8所示。當(dāng)?shù)葴販囟葹?60 ℃時，熱處理后組織為貝氏體+馬氏體和少量的殘留奧氏體，這是由于不同的等溫溫度，貝氏體及馬氏體中碳的固溶度不一樣；當(dāng)?shù)葴販囟葹?70 ℃時，組織逐漸粗化，貝氏體量逐漸升高；繼續(xù)升高等溫溫度，當(dāng)溫度為380 ℃時，組織顯著粗化。

不同等溫溫度對力學(xué)性能的影響如圖9所示。從圖9(a)可看出，隨等溫溫度的升高，硬度逐漸降低。從圖9(b)可看出，隨等溫溫度的升高，沖擊韌性逐漸升高。因此，當(dāng)?shù)葴販囟葹?70 ℃時，其硬度和韌性配合最佳。

圖8　等溫溫度對組織的影響Fig.8　The effect of isothermal temperatures on the microstructure of acicular ferrite

圖9　等溫溫度對力學(xué)性能的影響Fig.9　The effect of isothermal temperature on mechanical properties

3　結(jié)束語

1)當(dāng)淬火溫度由850 ℃升高到870 ℃時，組織由鐵素體+貝氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+馬氏體，硬度與沖擊韌性均逐漸升高；繼續(xù)升高淬火溫度到890 ℃時，組織粗化，其硬度與沖擊韌性均逐漸降低。因此，當(dāng)淬火溫度為870 ℃時，組織為下貝氏體+馬氏體，綜合力學(xué)性能最佳。

2)當(dāng)出液溫度由341 ℃降低到318 ℃時，組織中馬氏體量逐漸增加，硬度逐漸升高，韌性逐漸降低；繼續(xù)降低出液溫度到287 ℃時，馬氏體量增多，硬度升高，韌性降低；當(dāng)出液溫度為318 ℃時，綜合力學(xué)性能最佳。

3)當(dāng)?shù)葴販囟扔?60 ℃升高到370 ℃時，貝氏體量增多，組織逐漸粗化，所以硬度逐漸降低，韌性逐漸升高；繼續(xù)升高等溫溫度時，硬度降低，韌性增加不明顯。因此當(dāng)?shù)葴販囟葹?70 ℃，綜合力學(xué)性能最佳。

在本試驗條件下，經(jīng)等溫淬火工藝的微觀組織為下貝氏體+馬氏體；理想的熱處理工藝參數(shù)為淬火溫度以臨界溫度稍上30～50 ℃(870 ℃)為宜；出液溫度以318 ℃為佳；等溫溫度在370 ℃為佳；硬度為45～47 HRC，沖擊韌性為28～30 J/cm2，綜合性能良好。

[1]韋東遠(yuǎn),顧家琳,方鴻生,等.1500 MPa級貝氏體/馬氏體復(fù)相高強度鋼的疲勞特性[J].鋼鐵研究學(xué)報,2003(4):46-50.

[2]PICKERING F B.Physical Metallurgy and The Design of Steel[M].London:Applied Sciene Publisher,1980:44-50.

[3]方鴻生,黃進(jìn)峰.我國貝氏體鋼的前景[J].金屬熱處理,1998(7):1-14.

[4]王猛,王立峰,王全禮,等.等溫時間對60Si2Mn鋼下貝氏體組織性能的影響[J].材料熱處理,2014(9):146-150.

[5]胡紹文,劉麥秋,李衛(wèi)明.水基淬火介質(zhì)PAG的使用[J].熱加工工藝,2006,35(27):77.

[6]KOISTINEN D F,MARBURGE R E.General equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steel [J].Acta Metall,2005(7):50-60.

[7]KRAUSS G.Heat treatment and processing principles [J].ISIJ International,2011,51(5):818-825.

[8]陳洪,紀(jì)勝如,李湘生,等.關(guān)于空冷貝氏體鋼的成分設(shè)計[J].湖北工學(xué)院學(xué)報,1996,11(3):32-36.

編輯：張所濱

Research on heat treatment process of B/M multiphase steel with high strength and toughness

WEI Deqiang, ZHANG Xiaoyuan, WANG Rong, GAO Hao

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

The effects of the heat treatment process of isothermal and tempering on the structure and properties of B/M multiphase steel. Jmatpro software is used to simulate temperature-phase equilibrium diagram and TTT curve. Microstructure and mechanical properties are tested and analyzed by JSM-5610LV scanning electron microscope, JB-300B impact testing machine, HRS-150 digital Rockwell hardness tester etc. Results show in the experimental conditions, the ideal heat treatment process parameters are as follows: the quenching temperature is 870 ℃, the temperature of leaving liquid is 318 ℃, the isothermal temperature is 370 ℃. Matrix microstructures of the material are the combination of lower bainite and martensite. Impact toughness of the material is in the range of 28 to 30 J/cm2. Hardness is in the range of 45 to 47 HRC, the hard toughness is improved obviously.

multiphase steel; microstructure; mechanical property

2016-03-04

桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃(20150102-5,20140101-7)

魏德強(1963-)，男，黑龍江雞西人，教授，研究方向為新材料、材料表面強化處理。E-mail:wdq1963@sina.com

TG156

A

1673-808X(2016)04-0294-05

引文格式：魏德強，張曉媛，王榮，等.高強韌性B/M復(fù)相鋼的熱處理工藝研究[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2016,36(4):294-298.