熱處理工藝對SWRH82B 鋼的組織及硬度的影響

張 棟

（河鋼集團唐鋼公司 中厚板材有限公司，河北 唐山 063600）

SWRH82B 鋼是金屬行業(yè)使用的重要材料之一（后文簡稱82B）。因此，82B 鋼的質(zhì)量優(yōu)劣倍受人們關(guān)注，但隨著高碳硬線的使用數(shù)量不斷增加范圍不斷變大，硬線盤條的性能要求也在不斷的提高，原來的生產(chǎn)的82B 硬線盤條的性能已不能滿足需求[1]。

本研究的目的是系統(tǒng)地分析熱處理工藝對82B 鋼組織及性能的影響，從而確定出一種性能好，能源利用率高的熱處理工藝。從而在一定層度上改良生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出性能更好的鋼鐵產(chǎn)品，并且在一定層度上降低能耗，以達到降低成本的目的。

1 實驗材料與工藝

1.1 實驗材料

82B 鋼是一種典型的高碳鋼，也是一種含碳量接近共析鋼過共析鋼。國內(nèi)生產(chǎn)的82B 鋼中除C、Si、Mn、P、S 等元素之外有些生產(chǎn)廠家還會加入Cr、V、Al、Cu 等元素]。Cr 可以細化晶粒，提高鋼的淬透性，還會提高82B 鋼的索氏體化率。V 起到細化晶粒的作用。Al 起到脫氧和提高硬度的作用，Cu 是非碳化物形成元素，可以阻礙晶粒長大[2]。

1.2 熱處理工藝

本實驗分別采用1000℃保溫10min、30min、60min 淬火和900℃保溫10min、30min、60min 淬火，以及900℃保溫60min 淬火后600℃、400℃、200℃保溫120min 回火。

圖1 SWRH82B 原始組織及熱處理之后的組織

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 82B 鋼的原始組織及性能

圖a 為索氏體，這類組織一般由正火或退火得到，具有易于加工的優(yōu)點。82B 鋼原始組織的硬度為洛氏硬度值HRB95。

2.2 淬火溫度對82B 鋼的組織及性能的影響

2.2.1 僅淬火條件下淬火溫度的影響

本實驗中應(yīng)用的材料為82B 鋼，82B 鋼水淬淬后得到的組織為馬氏體組織。

圖b，c 為82B 鋼不同淬火溫度下的組織圖。圖b 是900℃水淬后的82B 組織圖，該組織為馬氏體，圖c 為1000℃水淬后的馬氏體組織。圖a 的晶粒更小，是由于淬火溫度升高，原始奧氏體長得更大，淬火時馬氏體只能在晶界與晶內(nèi)位錯集中區(qū)域形核。

經(jīng)測得900℃淬火后82B 的硬度為59.5,1000℃淬火后82B 的硬度為58.4。結(jié)果表明：在一定溫度范圍內(nèi)隨著淬火溫度的增加，82B 鋼的硬度降低[3]。

2.2.2 淬火加高溫回火淬火溫度的影響

圖d 的淬火溫度為900℃水淬保溫60min 保溫60min600℃回火保溫120min，圖o 為1000℃水淬保溫60min，600℃回火保溫120min。此類工藝產(chǎn)生的組織為回火索氏體。上圖可以看出圖d 的晶粒比圖e 更小。在同種組織中，晶粒越小材料的性能就會越好。在圖d 看不到粗大的碳化物顆粒。只有細小的碳化物，馬氏體已經(jīng)完全分解為碳化物顆粒與鐵素體，殘余奧氏體也分解為鐵素體和碳化物[4]。圖o 組織為回火索氏體，圖中白色部分為細小的碳化物。這些細小的碳化物的來源是淬火后過飽和馬氏體中的碳在回火轉(zhuǎn)化為回火索氏體的過程中析出的。經(jīng)測得82B 鋼的硬度隨著淬火溫度的升高略有降低。原因是淬火溫度越高，原始奧氏體晶粒越大，淬火后馬氏體晶粒越大。淬火溫度從900℃上升到1000℃，材料的硬度從HRC30.1 下降到HRC20.3。

2.2.3 淬火加中文回火淬火溫度的影響

圖i900℃水淬保溫60min，圖n1000℃淬火保溫時間60min。i、n 均為水淬，回火溫度400℃保溫120min。圖i、n 的組織為回火托氏體，圖i 中可以看到細小均勻的白色碳化物顆粒，與圖n 相比圖A 的晶粒更加細小，并且碳化物的分布也更加均勻。通過洛氏硬度計測得不同淬火溫度下中溫回火后的82B 鋼淬火溫度從900℃上升到1000℃，材料的硬度從HRC48.7 下降到HRC37.1。

2.2.4 淬火加低溫回火淬火溫度的影響

圖k 工藝為900℃水淬保溫30min，圖m 工藝為1000℃水淬保溫30min。回火溫度為200℃，回火保溫時間為120min。圖k、m 的組織為回火馬氏體，在圖中可以看到圖m 分布著許多細小的白色碳化物顆粒，而圖k 的碳化物卻很少。并且可以看出圖m的晶粒比圖k 大很多。圖k 的組織比圖m 細小的多，原因是隨著淬火溫度的升高，奧氏體晶粒得到更加充分的溶解，奧氏體溶解時碳化物同樣也在溶解，在淬火時沒有了原始奧氏體組織和碳化物的阻礙，淬火得到的晶粒可以更充分的長大。圖k 組織中的碳化物分布均勻，這是由于碳化物的析出位置決定的。在一定溫度范圍內(nèi)隨著淬火溫度的升高，材料的晶粒度變小。淬火溫度從900℃上升到1000℃，洛氏硬度從58.4 下降到了48.3。

2.3 淬火保溫時間對82B 鋼組織及性能的影響

對于材料來說，任何一種熱處理工藝的改變都可能會引起材料組織和性能的改變，淬火保溫時間當然也不例外。

2.3.1 僅淬火時淬火保溫時間的影響

圖d 為900℃保溫10min 水淬然后600℃回火保溫兩個小時后爐冷的金相組織。該組織圖中的組織是回火索氏體，從圖中可以看出組織有很大的碳化物顆粒，回火索氏體以及殘余奧氏體。其中白色的部分為碳化物，黑色部分為回火索氏體。這些碳化物顆粒主要是由于保溫時間短，樣品沒有完全奧氏體化，從而殘留了許多碳化物顆粒，導致組織中整體布滿特別大的碳化物顆粒，還有部分是由于淬火后的過飽和馬氏體中的碳在回火轉(zhuǎn)化為回火索氏體的過程中析出的[6]。由圖中可以看出，馬氏體已經(jīng)完全分解為碳化物顆粒與鐵素體，殘余奧氏體也分解為鐵素體和碳化物。具有良好的韌性、塑性和較高的強度。

2.3.2 淬火加高溫回火淬火保溫時間的影響

圖e 是900℃保溫30min 水淬600℃高溫回火后爐冷的82B 金相組織，與圖d 相比，圖e 明顯粗大的碳化物少了許多，晶粒更大一點。圖中的組織主要是回火索氏體，具有良好的綜合性能，但是圖中還有部分粗大碳化物，導致鋼件的力學性能下降[5]。

圖f 是900℃保溫60min 水淬600℃高溫回火保溫兩個小時爐冷的82B 鋼的金相組織圖，在圖中幾乎看不到粗大的碳化物顆粒。反而出現(xiàn)了許多細小的碳化物，晶粒也比圖e 更大。

其他變量不變時82B 鋼的硬度隨著淬火保溫時間的增加而降低。原因是淬火保溫時間增加使奧氏體得到充分的長大，淬火后組織的晶粒度也隨之減小。所以淬火保溫時間增加，材料硬度降低。在實驗過程中由于實驗樣品較小，在淬火保溫時間為10min 時可能已經(jīng)完成了奧氏體形成的前三個階段，隨著淬火保溫時間的增加，奧氏體成分得到了更好的均勻化，使得淬火后的馬氏體組織成分更加均勻，這又提高的材料的力學性能[3]。淬火溫度從10min 增加到60min 硬度卻從34.0 下降到了30.1。

2.3.3 淬火加低溫回火淬火保溫時間的影響

圖j 為900℃保溫10min 水淬然后200℃回火保溫兩個小時后爐冷的金相組織。該組織圖中的組織是回火馬氏體，從圖中可以看出組織有較大的碳化物顆粒。這些粗大的碳化物顆粒主要是由于保溫時間短，試樣沒有完全奧氏體化，成分沒有完全均勻化，從而殘留了許多碳化物顆粒，導致組織中整體布滿特別大的碳化物顆粒，還有部分是由于淬火后的過飽和馬氏體中的碳在回火轉(zhuǎn)化的過程中析出的[6]。由圖中可以看出，碳化物的顆粒大且分布不均。但組織中的馬氏體顆粒細小，給材料帶來了細晶強化。

圖k 是900℃保溫30min 水淬200℃低溫回火后爐冷的82B金相組織，與圖j 相比，圖k 粗大的碳化物明顯小了許多，并且碳化物顆粒分布均勻。晶粒比圖j 稍大一點，但是圖中還有部分粗大碳化物。圖中的主要組織是硬度很高的回火馬氏體[6]。

圖i 是900℃保溫60min 水淬200℃低溫回火保溫兩個小時爐冷的82B 鋼的金相組織圖。與圖j、k 的組織相比，圖i 中的組織晶粒粗大，這是由于淬火保溫時間長，原始組織完全轉(zhuǎn)化為奧氏體并且奧氏體晶粒得到充分的長大，新相馬氏體在原奧氏體晶界處形成，奧氏體晶粒長大直接影響了淬火后馬氏體的晶粒大小[5]。

經(jīng)測得900℃淬火保溫時間為10min、30min、60min 低溫回火后82B 的洛氏硬度分別為60.5、59.7、58.4。淬火保溫時間的延長可以使材料組織進一步均勻化從而減少原始組織中的碳化物對材料性能的影響，但淬火保溫時間的增加同時也減小了奧氏體的晶粒度，降低了材料的硬度。

2.3.4 淬火加中溫回火淬火保溫時間的影響

圖g 為900℃保溫10min 水淬后400℃回火保溫兩個小時后爐冷的金相組織。該圖中的組織是回火托氏體，從圖中可以看出組織有較大的碳化物顆粒。這些粗大的碳化物顆粒主要是由于保溫時間短，樣品沒有完全奧氏體化，從而殘留了許多碳化物顆粒，導致組織中整體布滿特別大的碳化物顆粒，還有部分是由于淬火后的過飽和馬氏體中的碳在回火轉(zhuǎn)化的過程中析出的。由圖中可以看出，碳化物的顆粒大且分布不均勻，但其晶粒度較高。

圖h 是900℃保溫30min 水淬400℃中溫回火后爐冷的82B 組織，與圖g 相比，圖h 碳化物明顯小了許多，并且碳化物顆粒分布均勻。晶粒比圖g 稍大一點，但是圖中還有少量較大碳化物。

圖i 是900℃保溫60min 水淬400℃中溫回火保溫兩個小時爐冷的82B 鋼的金相組織圖。與圖g、h 的組織相比，圖i 中的組織晶粒更粗大。淬火保溫時間對材料組織的影響是在一定保溫時間范圍內(nèi)，隨著保溫時間的增加，新相中的碳化物顆粒變小，但新相晶粒會長大[7]。

經(jīng)測得900℃淬火保溫時間為10min、30min、60min 中溫回火后的82B 的平均硬度分別為60.5、59.7、58.4。82B 鋼最終的力學性能和組織中的碳化物顆粒的大小有很大的關(guān)系，碳化物顆粒越小，表示鋼材的性能也就越好。但影響材料力學性能的最重要條件還是組織的晶粒度。經(jīng)過對比，結(jié)論是在其他條件相同的情況下，隨著淬火保溫時間的增加，82B 鋼的硬度略有降低。

4 結(jié)論

（1）在一定溫度范圍內(nèi)隨著淬火溫度的上升，82B 鋼組織中的碳化物顆粒變小，晶粒度也隨之變小，材料的硬度隨之略有降低。淬火溫度從900℃上升到1000℃，硬度從59.5 降低到58.4。

（2）隨著淬火保溫時間的延長，晶粒隨之變大，同時粗大碳化物減少，碳化物變細小，硬度小幅度降低。在900℃淬火后高溫回火時，淬火保溫時間為10min、30min 和60min 時的硬度值分別為34.0、31.9 以及30.1。

（3）經(jīng)過淬火與回火處理后的82B 鋼組織比原始組織更加細小，硬度也上升很多。經(jīng)過淬火以及回火處理后材料的硬度可以從HRB95 最高可上升到HRC59.5。