配分溫度和時間對22SiMnCrNi2Mo鋼組織和性能的影響

陳濤 王篤雄 丁曉亮

摘 要：本文通過拉伸試驗、顯微組織觀察以及物相分析等方法，研究了配分溫度和配分時間對22SiMnCrNi2Mo鋼抗拉強度與斷后伸長率的影響。結果表明，淬火配分后組織主要為板條狀馬氏體和少量殘余奧氏體。隨著配分溫度的升高，抗拉強度顯著降低，斷后伸長率先提高后降低;隨著配分時間的延長，抗拉強度降低，而伸長率提高。

關鍵詞：22SiMnCrNi2Mo鋼;配分溫度;配分時間;殘余奧氏體

中圖分類號：TG161文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0035-03

Effect on Microstructure and Properties of 22SiMnCrNi2Mo

Steel with Partitioning Temperature and Time

CHEN Tao1 WANG Duxiong1 DING Xiaoliang2

（1.School of Mechanical Engineering Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225127;

2.Jiangsu Jiekai Electrical Equipment Co.， Ltd.，Yangzhou Jiangsu 225233）

Abstract： In this paper， the effects of partitioning temperature and partitioning time on the tensile strength and elongation after breaking of 22SiMnCrNi2Mo steel are studied through tensile test， microstructure observation and phase analysis..The results show that the microstructure after quenching and partitioning is mainly lath martensite and a small amount of retained austenite.With the increase of partitioning temperature， the tensile strength decreases significantly， and the elongation increases first and then decreases，and the tensile strength decreases with the extension of partitioning time. The elongation increases.

Keywords： 22SiMnCrNi2Mo Steel;partitioning temperature; partition time; retained austenite

淬火配分[1]（Quenching and Partitioning，Q&P）工藝是將試驗鋼加熱奧氏體化后冷卻到馬氏體開始轉變溫度和終了轉變溫度之間等溫，碳由馬氏體擴散到殘余奧氏體，使殘余奧氏體穩定而提高塑性的工藝。郭艷輝等[2]研究低碳硅錳鋼I&Q&P工藝發現，納米級殘余奧氏體分布在馬氏體板條之間和原奧氏體晶界處。陳連生等[3]研究配分溫度和時間對低碳硅錳鋼組織與性能的影響發現，隨著配分的時間延長，抗拉強度和塑形都呈現下降趨勢，而隨著配分溫度的升高，強度和塑形先增加后減小。

22SiMnCrNi2Mo鋼用在電力金具上已經獲得了專利[4]，其Si、Mn元素的含量也是Q&P工藝的適宜成分。能否通過Q&P工藝進一步改善其塑性，本文主要研究22SiMnCrNi2Mo鋼在Ms點下上不同配分溫度和時間對其組織與性能的影響。

1 實驗材料

實驗材料為22SiMnCrNi2Mo鋼，其化學成分如表1所示。

2 熱處理工藝

用JMatPro軟件分析得出22SiMnCrNi2Mo鋼奧氏體轉變溫度為845 ℃，馬氏體開始轉變溫度為331 ℃。熱處理工藝為將試驗鋼加熱到880 ℃保溫10 min完全奧氏體化后，淬火至180 ℃，然后分別放入200 、260 、320 ℃以及380 ℃進行配分，最后水淬至室溫。

按《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）加工成室溫拉伸標準試樣，拉伸試樣在長春試驗機研究所有限公司生產的DMS100萬能材料試驗機上進行，測出試驗鋼的力學性能。用德國LEICADMI3000M金相顯微鏡觀察微觀組織。用D8 Advance多晶X射線衍射儀進行物相分析，掃描角度[2θ]范圍為30°～100°。

3 配分溫度和時間對性能影響

圖1為配分溫度和時間對性能的影響。

圖1（a）是配分時間為600 s時不同配分溫度對性能的影響，可見隨著配分溫度的增加，抗拉強度由1 535 MPa逐漸降低到1 351 MPa，且配分溫度在260 ℃后，抗拉強度呈線性降低。伸長率隨著配分溫度升高先增加，320 ℃達到最大15.76%，但在320 ℃以后隨配分溫度升高而呈下降趨勢。

圖1（b）是配分溫度為320 ℃時不同配分時間對性能的影響，可見60 s內的短時配分對抗拉強度影響不是很大，由1 479 MPa降低至1 472 MPa，當配分時間延長到120 s時，抗拉強度顯著降低，由1 472 MPa降低至1 448 MPa，繼續延長配分時間發現，對強度的影響基本上微乎其微。而伸長率隨配分時間延長而提高，從14.24%提高至15.05%。

4 顯微組織

圖2為配分時間為600 s時不同配分溫度下的光學顯微（Optical Microscope，OM）組織。可見，配分溫度為200 ℃時[見圖2（a）]，組織呈明顯的板條馬氏體形態，板條較長，板條邊界明顯;配分溫度為260 ℃時[見圖2（b）]，組織中板條馬氏體變短，局部界面開始模糊，但依然看出板條形態;配分溫度為320 ℃時[見圖2（c）]，馬氏體板條已發生分化，還有部分板條馬氏體存在;配分溫度為380 ℃時[見圖2（d）]，馬氏體基體已基本發生分解，組織轉變為回火托氏體，但還保留著板條的位向。

5 分析討論

淬火的終點溫度決定初始馬氏體和初始奧氏體的體積分數，根據K-M[5]公式可初步算出初始馬氏體和初始奧氏體的理論體積分數，由于淬火溫度選擇是180 ℃，通過計算得到初始馬氏體的體積分數含量為80%，初始奧氏體的體積分數為20%。圖3是配分時間為600 s時不同配分溫度下的X射線衍射（XRD）圖。從圖3可見，奧氏體峰主要出現在（111）處。根據公式分別計算出殘余奧氏體含量，算出200 ，260 ，320 ℃以及380 ℃配分溫度下的殘余奧氏體的體積分數分別是10.35，12.86，13.82%以及10.37%。理論情況下，初始奧氏體體積分數應該為20%，但實際測得的奧氏體體積分數要少得多，可能原因是實驗鋼是低碳鋼，碳含量較低，在配分過程中，馬氏體中的碳并不能完全配分到奧氏體中，部分馬氏體發生回火，析出碳化物，消耗了一部分碳，所以部分殘余奧氏體不穩定轉變成二次馬氏體。可以看出，隨著配分溫度的增加，殘余奧氏體體積含量先增加后減少，在320 ℃時，殘余奧氏體含量最多，其體積含量變化規律和伸長率變化一致。

配分溫度高低決定了碳原子擴散速率，溫度越高碳原子擴散速率越快，馬氏體中的碳配分到奧氏體中就越多。由于過飽和馬氏體中的碳配分到奧氏體中去后，馬氏體相發生脫碳軟化，而殘余奧氏體由于馬氏體中碳擴散使其富碳，保留至室溫下的殘余奧氏體含量增加。實驗發現，200 ℃配分強度都在1 500 MPa以上，因為馬氏體是硬相，為實驗鋼提供強度，200 ℃配分的組織板條形貌清晰，基本上沒有發現殘余奧氏體組織，所以強度高而塑性較低，隨著配分溫度的增加抗拉強度降低，塑性提高，但配分溫度在320 ℃后塑性發生了轉折。在320 ℃時，實驗鋼的綜合性能最優，從圖2（c）看出板條形貌對于圖2（a）中很難分辨出來，原因是溫度的增加導致馬氏體局部發生分解，同時也伴隨著碳化物析出，而殘余奧氏體含量在320 ℃時達到了最高，可能是因為配分過程中，馬氏體中的碳流動到殘余奧氏體和馬氏體自回火是同時進行的，強度進一步降低，而塑性由殘余奧氏體和回火馬氏體共同提供。繼續提高配分溫度，從圖2（d）發現組織已經不是原來的板條形貌，變成了回火屈氏體，主要是由馬氏體回火程度來決定試驗鋼的塑性。在圖2的4張圖中基本上都可以在基體上看到碳化物析出，說明Si和Mn元素并不能完全抑制碳化物的析出，且碳化物的形成和碳原子從馬氏體配分到奧氏體中去是同時進行的。

由于碳從馬氏體到奧氏體配分過程是短暫的，長時間的配分使得馬氏體回火和奧氏體發生分解。對比工藝發現，配分時間在120 s內主要由殘余奧氏體組織決定塑性，隨配分時間延長，主要由回火馬氏體和奧氏體共同決定。淬火配分工藝的主要目的是在強度不變或略微下降的前提下大幅度提高塑性。實驗結果發現，在獲得高的塑性下，強度并不能很好保持原來的狀態，強度降低可能原因是22SiMnCrNi2Mo鋼的Cr和Mo元素是碳化物形成元素，在高溫長時配分時碳化物析出，Si、Mn以及Ni元素并不能完全阻礙滲碳體的析出，消耗了碳元素，導致馬氏體中碳含量減少，強度降低。但由于第二相的析出又提高一部分強度，所以綜合下來，強度略微下降，但塑性提高是因為馬氏體發生回火，回火后的馬氏體塑性更好，配合保留下來的殘余奧氏體，導致塑性大幅提高。

6 結論

隨著配分溫度的升高，抗拉強度顯著降低，斷后伸長率先提高后降低。320 ℃配分時斷后伸長率最高，其后配分時間延長，抗拉強度逐漸降低，斷后伸長率也逐漸降低。

隨著配分溫度的升高，殘余奧氏體的數量增加，但380 ℃配分后又減少，這可能與殘余奧氏體分解有關。

參考文獻：

[1]SPEER J，MATLOCK D K，COOMAN B，et al.Carbon Partitioning into Austenite After Martensite Transformation[J].Acta Materialia，2003（9）：2611-2622.

[2]郭艷輝，付斌，鄧想濤.低碳硅錳鋼的Q&P熱處理工藝[J].金屬熱處理，2019（7）：24-27.

[3]陳連生，楊棟，田亞強，等.配分溫度對低碳高強Q&P鋼組織及力學性能影響[J].材料熱處理學報，2014（1）：55-59.

[4]姜世杭，龔俊杰，徐有巖.一種高強韌性輸電線路金具及其熱處理工藝：10050045.3[P].2019-04-09.

[5]KRAUSS G.Steels：Heat Treatment and Processing Principles[Z].1990.