熱處理工藝對22SiMn2TiB鋼組織和性能的影響

陳林恒 劉洪武 王青峰 邢 雷 劉文闖 楊 柳

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 2100352；2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島 066004；3.國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北秦皇島 066004)

熱處理工藝對22SiMn2TiB鋼組織和性能的影響

陳林恒1劉洪武2,3王青峰2,3邢 雷2,3劉文闖2,3楊 柳1

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 2100352；2.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，河北秦皇島 066004；3.國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，河北秦皇島 066004)

對22SiMn2TiB超高強度鋼進行了不同工藝的熱處理，隨后對其進行了拉伸、沖擊和硬度試驗，以研究回火溫度對試驗鋼力學性能的影響，并采用光學顯微鏡和透射電鏡研究了不同溫度回火后鋼的顯微組織。結果表明，在較低溫度回火能提高鋼的沖擊韌性；回火溫度升高，由于滲碳體的析出，會產生回火脆性，沖擊韌性降低。經920 ℃淬火、225 ℃回火的試驗鋼具有良好的綜合力學性能。

22SiMn2TiB超高強度鋼 回火 顯微組織 沖擊韌性

隨著社會經濟的迅速發展，對防彈、防爆車輛需求量不斷增加，防護用鋼用量大大增加，高性能、低成本的防護用鋼有很大的市場需求。防護用鋼不僅需要有很高的強度，還需要具有較高的沖擊韌性，才能達到較好的防護性能[1]。22SiMn2TiB超高強度鋼具有高的強度和硬度，但沖擊韌性較低。一般認為，鋼的強度和韌性是一對矛盾，提高強度會降低韌性，研究如何通過調整工藝，適當降低強度來提高沖擊韌性，使材料具有良好的綜合力學性能，具有重要意義[2]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

參照GJB 1496A- 2000標準制定試驗鋼的化學成分，如表1所示。

試驗鋼采用50 kg真空試驗爐冶煉，采用高溫軋制將鑄錠軋制成20 mm厚的鋼板。坯料的加熱溫度設為(1 200±20) ℃，保溫時間2 h以上。初軋溫度高于1 150 ℃，終軋溫度高于1 050 ℃，軋后空冷。試驗鋼軋態組織為貝氏體和鐵素體，如圖1所示。鋼的熱處理工藝為：淬火加熱溫度920 ℃，保溫50 min水淬；回火溫度175～375 ℃，保溫時間70 min，空冷。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)

圖1 試驗鋼的軋態組織

1.2 試驗方法

1.2.1 力學性能測試

采用線切割將試驗鋼加工成橫截面為矩形的平板狀拉伸試樣，在INSTON5982試驗機上進行拉伸試驗，試樣標距為20 mm，應變速率為10-3s-1；取三個尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口沖擊試樣，在JB- 300B沖擊試驗機上進行-40 ℃沖擊試驗；在尺寸為40 mm×40 mm×20 mm的試樣拋光面的不同部位測定硬度，取平均值作為該試驗鋼的硬度值。

1.2.2 微觀組織表征

取10 mm×10 mm的方形試樣，經過打磨、拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學顯微鏡下觀察顯微組織；用線切割切出厚約300 μm的薄片，經砂紙打磨減薄到30 μm以下，而后沖切成φ3 mm的圓片，再用雙噴電解法進一步減薄，制成薄膜試樣，在JOEL- 2010型透射電鏡下觀察其基體組織及析出相；采用S- 3400型掃描電鏡對沖擊試樣斷口形貌進行觀察。

2 試驗結果及討論

2.1 力學性能

分別對淬火和回火態的試驗鋼進行力學性能測試，結果如表2所示，括號內為平均值。

表2 試驗鋼在不同狀態下的力學性能

圖2 試驗鋼的力學性能隨回火溫度的變化

由圖2可以看出， 試驗鋼淬火后的沖擊吸收功較低，經低溫回火后有所提高，225 ℃回火后達到最大值，回火溫度繼續升高，沖擊吸收功下降；隨著回火溫度的升高，試驗鋼的強度和硬度逐漸降低，375 ℃回火使硬度明顯降低。

2.2 顯微組織

圖3是試驗鋼淬火態顯微組織，全部為馬氏體，表明試驗鋼的淬透性良好。

圖4為試驗鋼經不同溫度回火后的顯微組織，可以看出，回火溫度較低時，馬氏體板條分解較少，強度和硬度下降較少；在375 ℃回火板條分解增多，所以強度和硬度下降較明顯。

2.3 回火溫度對試驗鋼沖擊斷口形貌的影響

試驗鋼經不同溫度回火后的沖擊斷口形貌如圖5所示。

圖3 試驗鋼的淬火態顯微組織

圖4 試驗鋼經不同溫度回火后的顯微組織

圖5 試驗鋼經不同溫度回火后沖擊斷口的掃描電鏡圖

由圖5可見，試驗鋼經175～225 ℃回火后，其沖擊試樣斷口上有少量撕裂棱，為準解理型斷裂。由于殘留奧氏體轉變程度較低，其含量較高，所以沖擊吸收功相對較高，有一定的韌性儲備。當回火溫度高于225 ℃時，斷口解理面逐漸增多，撕裂棱逐漸變少，沖擊吸收功逐漸降低[3]。

2.4 回火組織的透射電鏡觀察

為了進一步分析試驗鋼回火過程中的組織變化，采用透射電鏡對試驗鋼的回火態顯微組織進行了觀察，如圖6所示。

圖6 試驗鋼經不同溫度回火后的顯微組織透射電鏡觀察

由圖6可知，試驗鋼經175 ℃回火后，晶界處無碳化物析出；隨著回火溫度升高，析出的ε碳化物逐漸轉變為滲碳體，375 ℃回火的試樣有較多滲碳體生成[4]。

3 討論

淬火態試驗鋼由于內應力較大，沖擊吸收功較低，在175～225 ℃回火，主要是消除應力。隨著回火溫度升高，內應力得到釋放，這個階段馬氏體開始分解，殘留奧氏體開始轉變，析出相形成并開始長大，韌性有所提高，馬氏體板條及馬氏體內部位錯密度逐漸減少，宏觀上表現為強度和硬度逐漸降低。

在225～375 ℃回火，隨著馬氏體板條的不斷分解，鋼的強度、硬度繼續降低，硬度降低更為明顯；殘留奧氏體不斷分解轉變，析出的ε碳化物逐漸轉變為滲碳體；375 ℃回火的試樣有較多滲碳體生成，產生第一類回火脆性，導致試驗鋼沖擊韌性下降[5]。

4 結論

(1)經920 ℃淬火、175～375 ℃回火的22SiMn2TiB超高強度鋼，其強度隨著回火溫度的升高而逐漸降低，沖擊吸收功則先升高后降低。在225 ℃回火的試驗鋼的綜合力學性能最好。

(2)該試驗鋼回火溫度低于225 ℃時，由于內應力得到釋放，馬氏體位錯密度降低，鋼的沖擊吸收功升高；高于225 ℃回火時，析出的ε碳化物逐漸轉變為滲碳體，375 ℃回火時晶界處有較多碳化物析出，導致裂紋敏感性增大，產生第一類回火脆性，鋼的沖擊韌性下降。

[1] 萬潤根,周細應,羅軍明. 防彈鋼盔用鋼的熱處理工藝[J]. 航空制造技術,2002(5):61-62.

[2] 萬潤根,周細應,羅軍明. 40CrMnSiMoVA鋼的熱處理工藝與性能[J]. 航天工藝,2001(5):4- 6.

[3] 孫通,余建波,李傳軍,等. 回火工藝對含氮不銹鋼30Cr15MoVN組織和性能的影響[J]. 上海金屬,2015,37(4):30- 33.

[4] 張文鳳. 超高硬韌性耐磨鑄鋼的研究[D]. 沈陽：沈陽理工大學,2010.

[5] 張睿,崔福洪. 合金結構鋼30CrMnSi回火脆性分析及消除措施[J]. 科技風,2010(15):254- 255.

收修改稿日期：2016- 10- 31

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of 22SiMn2TiB Steel

Chen Linheng1Liu Hongwu2,3Wang Qingfeng2,3Xing Lei2,3Liu Wenchuang2,3Yang Liu1

(1. Nanjing Iron & Steel Co.,Ltd, Nanjing Jiangsu 2100352, China; 2. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 3. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Qinhuangdao Hebei 066004, China)

22SiMn2TiB ultra- high strength steel was heat treated by different processes, then was subjected to tension, impact and hardness tests to reveal the effect of tempering temperatures on its mechanical properties. The microstructure of the steel was investigated by using OM and TEM. The results showed that the steel tempered at lower temperature offered higher impact toughness, and that as the tempering temperature increased the impact toughness reduced because of temper brittleness caused by precipitation of cementite in the steel. The investigated steel quenched from 920 ℃ and tempered at 225 ℃ showed good comprehensive mechanical properties

22SiMn2TiB ultra- high strength steel，tempering，microstructure，impact toughness

陳林恒，男，博士，從事耐磨鋼、超高強鋼和防護鋼等產品研發，Email：chenlinheng@njsteel.com.cn