熱處理工藝對(duì)NiCrMoV鋼性能的影響

趙欣

中國(guó)金屬學(xué)會(huì) 北京 100081

1 先進(jìn)高強(qiáng)鋼的最新進(jìn)展

汽車的減重成為減少CO2排放和降低燃油消耗的關(guān)鍵手段，電動(dòng)汽車和氫能源汽車更加要求車身減重。為了滿足汽車工業(yè)在提高安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性、耐用性和舒適性等方面的要求，鋼鐵企業(yè)開(kāi)發(fā)了不同的鋼材并應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)上，目前更加先進(jìn)的汽車用鋼正在加緊研發(fā)中。汽車用鋼強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 汽車用鋼強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的關(guān)系

強(qiáng)塑積小于25 000MPa%的汽車用鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，如IF鋼、HSLA（高強(qiáng)度低合金）鋼、傳統(tǒng)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS）如DP（雙相）鋼、TRIP（相變誘導(dǎo)塑性）鋼、CP（復(fù)相）鋼、馬氏體鋼和HF（熱沖壓成形）鋼。另外，超高強(qiáng)度先進(jìn)高強(qiáng)鋼（X–AHSS）和超高強(qiáng)度先進(jìn)高強(qiáng)鋼（U–AHSS），具有優(yōu)越的強(qiáng)度和塑性平衡，強(qiáng)塑積大于25 000MPa%，被稱為下一代汽車用鋼。

2 NiCrMoV鋼介紹

NiCrMoV鋼是超高強(qiáng)度低合金馬氏體鋼中的一類，它具有極好的淬透性、合適的延展性、高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度和抗蠕變性，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用正在增加。為了避免脆性斷裂，需要對(duì)NiCrMoV鋼的熱處理工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖儯饕绊懹捕取㈨g脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）、抗拉強(qiáng)度、沖擊吸收能量等力學(xué)性能。

不同的熱處理工藝對(duì)于提高NiCrMoV鋼力學(xué)性能的重要成果被應(yīng)用。淬火和回火工藝的改變有助于生產(chǎn)強(qiáng)度和韌性匹配優(yōu)良的大截面NiCrMoV鋼零件，這種性能的獲得是基于淬火時(shí)產(chǎn)生的馬氏體組織和隨后細(xì)小彌散的合金碳化物的析出。因?yàn)樵缙谑褂玫鸟R氏體鋼不經(jīng)過(guò)回火處理，淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，所以回火步驟就變得非常重要。

由于NiCrMoV鋼易受馬氏體回火脆性的影響，因此在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)以適當(dāng)?shù)睦鋮s速率回火非常必要。本文以34CrNiMo6合金鋼為例進(jìn)行說(shuō)明，重點(diǎn)研究熱處理工藝對(duì)于該合金鋼性能的影響，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 34CrNiMo6合金鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3 冷卻速率對(duì)力學(xué)性能的影響

圖2給出了冷卻速率對(duì)力學(xué)性能的影響。冷卻速率的增加，試樣的硬度和極限抗拉強(qiáng)度增加，而沖擊吸收能量降低。表2給出了不同的冷卻速率對(duì)極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊吸收能量、硬度和晶粒尺寸的影響，隨著冷卻速率增加，晶粒尺寸減小[1]。表3給出了不同淬火介質(zhì)對(duì)極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊吸收能量、硬度和晶粒尺寸的影響[1]。

通常較細(xì)的晶粒尺寸會(huì)賦予更好的韌性，由于組織結(jié)構(gòu)中存在上貝氏體，細(xì)的晶粒尺寸降低了鋼的沖擊吸收能量。

圖2 冷卻速率對(duì)34CrNiMo6合金鋼力學(xué)性能的影響

表2 34CrNiMo6鋼在不同冷卻速率下的晶粒尺寸、沖擊吸收能量、硬度和極限抗拉強(qiáng)度

表3 34CrNiMo6鋼不同淬火介質(zhì)下的晶粒尺寸、沖擊吸收能量、硬度和極限抗拉強(qiáng)度

圖3表明，隨著試樣直徑的增加，F(xiàn)ATT會(huì)達(dá)到更高的溫度。在聚合物淬火的情況下，隨著試樣直徑的增加，F(xiàn)ATT增加的速率減小。

圖3 在冷速為4℃/min、8℃/min和12℃/min下和在聚合物淬火介質(zhì)下熱處理鋼的FATT與試樣直徑的對(duì)比

4 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

按照轉(zhuǎn)動(dòng)軸試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

不同回火溫度條件下的強(qiáng)度和塑性變化分別如圖4所示。從圖4a可以看出，隨著回火溫度的增加，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度相應(yīng)降低，圖4b表明，斷面收縮率隨著回火溫度的增加而增加。

從圖5a可以看出，隨著回火溫度的增加硬度逐漸降低，圖5b給出了回火溫度對(duì)耐沖擊強(qiáng)度的變化情況，隨著回火溫度的增加，耐沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。

5 熱處理優(yōu)化試樣的疲勞試驗(yàn)

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣在600℃回火能取得最佳效果，因此對(duì)鍛造后的未經(jīng)過(guò)熱處理和經(jīng)油淬+600℃回火試樣進(jìn)行周期循環(huán)疲勞試驗(yàn)。圖6顯示了熱處理和未經(jīng)熱處理試樣的S—N曲線。熱處理試樣的疲勞極限比未經(jīng)熱處理試樣的疲勞極限有所增加，即從346MPa增加到450MPa。在循環(huán)周期為5×106下，傳動(dòng)軸的最小疲勞極限需要達(dá)到420MPa，這個(gè)要求在油淬+600℃回火的熱處理工藝條件下容易達(dá)到。

表4 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4 回火溫度對(duì)屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度及斷面收縮率的影響

圖5 回火溫度與對(duì)硬度和沖擊吸收能量的影響

圖6 熱處理和未經(jīng)熱處理試樣的S—N曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

1）NiCrMoV合金鋼在聚合物溶液淬火時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能，韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT）與試樣尺寸有關(guān)，高回火溫度下韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高得慢，試樣尺寸對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響受冷卻速度控制。

2）隨著回火溫度的增加，屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和硬度降低，而塑性和沖擊吸收能量增加。但極限抗拉強(qiáng)度比屈服強(qiáng)度降低的速率高，隨著回火溫度的增加，加工硬化速率減小。

3）經(jīng)過(guò)熱處理的試樣疲勞強(qiáng)度比未經(jīng)過(guò)熱處理的試樣疲勞強(qiáng)度高。對(duì)于汽車用傳動(dòng)軸要得到所需的疲勞強(qiáng)度應(yīng)遵循油淬+600℃回火處理工藝。