回火溫度對50CrVA鋼組織性能的影響

王 超，柯加祥，楊東歐，張 虎，顧相田

（青島特殊鋼鐵有限公司棒材研究所，山東 青島266000）

1 前 言

由于具有良好韌性、較高的疲勞強度和淬透性，50CrVA鋼被廣泛應用于汽車、鐵路以及冶金化工等各個領域，常用作汽車螺旋懸掛彈簧、安全閥簧、扭力桿、穩定桿、發動機零部件等。這些零件常常在復雜的環境下使用，經受交變應力作用，所以產品需具有優良的力學性能和疲勞性能。50CrVA鋼一般經過調質后使用，其微觀組織決定了最終的強度、塑性以及沖擊性能。一般來說，隨著強度的升高，材料的塑性及沖擊韌性會下降［1-3］。因此，合理的50CrVA鋼調質熱處理工藝具有重要意義。目前為止，有關回火溫度對50CrVA 鋼組織和性能影響的研究較少，本文探討了不同回火溫度對淬火后的50CrVA 鋼微觀組織和力學性能的影響，目的是確定能獲得最優綜合性能的回火溫度，為后續工業生產時的熱處理提供理論依據。

2 試驗材料及方法

試驗材料為某鋼鐵公司生產的Ф40 mm 的50CrVA 圓鋼，其化學成分（質量分數）為：0.51%C、0.28%Si、0.76%Mn、1.03%Cr、0.14%V、0.015%P、0.005%S，Al、Ni 適量。本文利用 JMatPro 軟件根據成分計算出50CrVA 鋼在880 ℃開始冷卻時的CCT，如圖1所示。由圖1可知，50CrVA鋼奧氏體轉變開始溫度A1為752.9 ℃，完全奧氏體化溫度A3為761.9 ℃。

在圓鋼1/4 處沿軋制方向取5 組毛坯樣，在SXL-1200C型箱式電阻爐中均加熱至880 ℃，保溫40 min 后淬入室溫的油中。然后將淬火樣品分別在 400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃和 600 ℃保溫 50 min 進行回火處理，最后進行空冷。在熱處理后的毛坯上線切割取金相樣，粗磨、拋光后采用4%硝酸酒精對試樣表面進行腐蝕，用WMJ-9950型金相顯微鏡觀察其微觀組織。拉伸試驗在WDW-G 型微機控制電子萬能試驗機上進行，拉伸速率為4 mm/min，每個回火溫度檢驗3 個拉伸樣品，取其平均值。在JB-300B沖擊試驗機上進行試驗，試樣尺寸為國標規定的10 mm×10 mm×55 mm（缺口類型為KV2），試驗溫度為-20 ℃。樣品經拋光后在洛式硬度計上測定不同回火溫度下的洛氏硬度（HRC），載荷設定為1 kN，每個試件測定6 個點的硬度，然后取平均值。

圖1 50CrVA鋼的CCT曲線

3 試驗結果及分析

3.1 回火溫度對組織的影響

圖2為50CrVA 鋼在880 ℃淬火后，分別經400～600 ℃回火后的微觀組織。在淬火后的回火過程中，試驗鋼中的馬氏體逐漸開始分解，過飽和α相析出滲碳體。鋼在400～450 ℃回火后，試驗鋼中的馬氏體轉變為回火屈氏體，此時馬氏體板條形貌開始模糊，板條內開始析出滲碳體，部分區域仍保持板條狀特征。回火溫度提高至500 ℃后，滲碳體不但在晶內分布，在一些馬氏體板條界面和原始奧氏體晶界處滲碳體也開始析出。同時，已脫離共格關系的滲碳體明顯地聚集，片狀滲碳體的長寬比逐漸減小，開始形成粒狀滲碳體［4］。550 ℃進行回火時，板條形貌已經基本消失，粒狀滲碳體析出，鐵素體發生了再結晶，形成了粒狀滲碳體彌散分布在再結晶的鐵素體基體上的回火索氏體組織。隨著回火溫度達到600 ℃，此時淬火馬氏體充分回復和再結晶，碳化物球化長大，逐漸形成等軸狀鐵素體。試驗鋼組織為鐵素體與均勻分布的粒狀滲碳體組成的回火索氏體。

圖2 不同回火溫度50CrVA鋼的金相組織

2.2 回火溫度對硬度的影響

從圖3 中可以看出，隨著回火溫度的升高，試驗鋼的洛氏硬度逐漸下降。試驗鋼在400～500 ℃回火時，洛氏硬度的下降比較平緩，硬度數值為43～49 HRC。50CrVA鋼淬火后形成的馬氏體中存在大量的位錯，在400～500 ℃回火過程中馬氏體開始分解，淬火內應力逐漸消失。但部分固溶的碳開始以滲碳體的形式析出，可以釘扎位錯，對基體有一定的強化作用［5］。同時由于回火溫度略低，大部分的合金元素仍在基體內部，固溶強化依然起著主要作用。在此溫度范圍內進行回火，試驗鋼可以保持一定的硬度［6］。回火溫度達到550～600 ℃時，試驗鋼的洛氏硬度明顯下降，硬度數值為36～38 HRC。此時回火溫度較高，馬氏體完全分解，碳以及其他合金元素擴散能力提高，基體內的碳化物加速析出，固溶強化減弱。鐵素體基體逐漸發生回復再結晶，位錯密度進一步降低，導致鋼的硬度下降。

圖3 不同回火溫度對50CrVA鋼硬度的影響

2.3 回火溫度對力學性能的影響

從圖4 可以看出，隨著回火溫度的升高，試驗鋼的屈服強度和抗拉強度呈下降趨勢。回火溫度為400～500 ℃時，強度下降較為緩慢，且抗拉強度均超過1 500 MPa。而在回火溫度到600 ℃后，強度明顯下降，抗拉強度從500 ℃回火時的1 517 MPa 下降至 1 180 MPa，屈服強度從 1 277 MPa 下降至1 024 MPa。隨著回火溫度的升高，試驗鋼的伸長率提高。回火溫度在400～500 ℃時，試驗鋼伸長率的變化幅度較小，范圍在10%～13%，在550～600 ℃回火時其伸長率增加到16%～17.5%。

圖4 不同回火溫度對50CrVA鋼拉伸性能的影響

由圖5 可知，在400～600 ℃進行回火時，隨著回火溫度的提高，-20 ℃下的沖擊功不斷升高。500～600 ℃回火時，沖擊功較高，達到59.7～62.8 J。從上述結果可以得知，試驗鋼在550 ℃回火時的綜合力學性能最優，屈服強度為1 140 MPa，抗拉強度為1 307 MPa，伸長率和-20 ℃沖擊功分別達到了16%和59.7 J。在此溫度下回火后，淬火馬氏體完全分解，組織內的淬火應力基本消失，而基體內的碳以及其他合金元素以細小粒狀滲碳體的形式析出。同時鐵素體開始發生再結晶轉變，但晶粒并未長大，形成較為理想的回火索氏體組織，獲得良好的綜合性能。

圖5 不同回火溫度對50CrVA鋼-20 ℃沖擊功的影響

3 結 論

3.1 當 50CrVA 鋼 880 ℃淬火后，在 400 ～500 ℃回火時，組織主要由回火屈氏體構成，部分區域仍保持板條狀特征。隨著回火溫度的不斷提高，回火索氏體化率不斷升高。550～600 ℃進行回火時，板條形貌已經基本消失，鐵素體發生了再結晶，形成了粒狀滲碳體彌散分布在再結晶的鐵素體基體上的回火索氏體組織。

3.2 隨著回火溫度的升高，試驗鋼的洛氏硬度、屈服強度和抗拉強度逐漸降低，伸長率和-20 ℃沖擊功提高。50CrVA鋼經880 ℃淬火+550 ℃回火處理后獲得最優力學性能，抗拉強度達到1 307 MPa，屈服強度1 140 MPa，伸長率16%，-20 ℃沖擊功也達到了59.7 J。此時回火試驗鋼的硬度為38 HRC。