奧氏體化溫度對合金工具鋼組織和扭轉性能的影響

余子權 姚 贊

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

表面硬度、淬透性是評定工具鋼質量的重要指標。通常，材料的硬度越高，其耐磨性越好，產品使用壽命越長。另一方面，很多工具類零件除了需要高硬度外，由于受到扭轉剪切力的作用，對其扭轉性能也有一定要求。王順興等[1]研究了鐵素體含量對42CrMo鋼扭轉性能的影響，發現隨著淬火溫度的降低，鋼中鐵素體含量增加，馬氏體的含碳量提高，因而抗扭強度提高。徐磊等[2]發現，隨著回火溫度的降低，65Mn鋼抗扭強度提高，但扭轉角減小、塑性降低。趙亮等[3]認為，40Cr鋼的扭轉性能與組織狀態有關，晶粒越細，其塑性和抗扭強度越好。吳志煜等[4]研究了拉伸預應變對35CrMo鋼扭轉性能的影響，發現預拉伸強化可提高其扭轉屈服強度，但對抗扭強度影響較小。Kumar等[5]研究了貝氏體鋼的組織對扭轉性能的影響，發現細化貝氏體組織可提高材料的抗扭強度。目前，對鋼鐵材料扭轉性能的研究較少，且研究的大多是中低碳鋼，對高碳合金工具鋼的研究鮮見報道。

本文研究了寶山鋼鐵股份有限公司開發的一種高碳合金工具鋼的奧氏體化溫度對其組織和扭轉性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用鋼的生產流程為150 t電爐冶煉→精煉→真空處理→連鑄→開坯→軋制成φ8 mm盤條→退火→拉拔成φ7 mm圓棒→調質處理。試驗用鋼的化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the investigated steel (mass fraction) %

鋼的球化退火工藝見表2，退火組織如圖1所示。圖1表明碳化物呈球狀，尺寸及分布均勻，經統計，其平均尺寸約為1.6 μm。退火處理的目的主要是：降低硬度，減少拉拔模具的損耗；提高生產率，提高表面質量；獲得均勻的球狀碳化物，有利于后續熱處理獲得良好的組織均勻性[6-8]。

表2 試驗用鋼的球化退火工藝Table 2 Spheroidizing annealing process of the investigated steel

退火后對鋼進行淬火、回火，工藝參數為：奧氏體化溫度820、840、880、900、920、940、960 ℃，保溫30 min油冷至室溫；230 ℃×60 min回火。金相試樣采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Zeiss Axiolab 5型光學顯微鏡和Zeiss EV018型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)上觀察其顯微組織；采用WNJ-500微機控制扭轉試驗機檢測扭轉性能，扭轉試樣尺寸如圖2所示，直徑7 mm、標距60 mm，扭轉速率為30 (°)/min。

圖2 扭轉試樣的尺寸Fig.2 Dimension of the torsion sample

2 試驗結果和討論

2.1 奧氏體化溫度對組織的影響

試驗鋼經820～960 ℃保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min后的微觀形貌如圖3所示，主要為回火馬氏體和未溶球狀碳化物?？梢园l現，820 ℃奧氏體化、淬火、回火的鋼中有少量塊狀鐵素體，如圖3(a)所示；隨著奧氏體化溫度的升高，鐵素體消失，球狀碳化物數量減少，960 ℃奧氏體化的鋼中無明顯的球狀碳化物，如圖3(g)所示。退火后鋼的組織為鐵素體+球狀碳化物，較低溫度奧氏體化的鋼中鐵素體未完全溶解，被保留至淬火、回火后；隨著奧氏體化溫度的升高，鐵素體含量減少，但球狀碳化物至960 ℃才基本溶解，因此在860～940 ℃奧氏體化、淬火、回火的鋼組織為回火馬氏體和未溶解的球狀碳化物，且碳化物數量逐漸減少。

圖3 不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火、230 ℃回火60 min的鋼的微觀形貌Fig.3 Micrographs of the investigated steel austenitized at different temperatures for 30 min, quenched and then tempered at 230 ℃ for 60 min

試驗鋼經不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min后的SEM形貌如圖4所示。圖4表明，隨著奧氏體化溫度的升高，球狀碳化物數量逐漸減少，圖4(a)中箭頭所指為塊狀鐵素體。此外，隨著奧氏體化溫度的升高，馬氏體板條逐漸增大，如圖4(a～c)中黃色標記所示，說明隨著奧氏體化溫度的升高，試驗鋼的晶粒逐漸長大[9-10]。

圖4 不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of the investigated steel austenitized at different temperatures for 30 min, quenched and then tempered at 230 ℃ for 60 min

2.2 奧氏體化溫度對硬度的影響

圖5為不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的硬度變化，表明隨著奧氏體化溫度的升高，鋼的硬度提高。820 ℃奧氏體化的鋼硬度最低，平均為58.5 HRC，且離散性較大。這與其組織狀態有關，因為820 ℃奧氏體化的鋼中有較多的未溶碳化物和鐵素體，前者導致回火馬氏體中含碳量偏低，硬度偏低，后者不均勻分布導致硬度波動較大。隨著奧氏體化溫度的升高，球狀碳化物溶解量逐漸增多，回火馬氏體硬度提高。

圖5 奧氏體化溫度對淬火和230 ℃回火后鋼硬度的影響Fig.5 Effect of austenitizing temperatures on hardness of the steel quenched and tempered at 230 ℃

2.3 奧氏體化溫度對扭轉性能的影響

圖6為880 ℃保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的試驗鋼在扭轉試驗過程中扭矩隨扭轉角的變化，屈服扭矩為116 N·m，最大扭矩為124 N·m， 斷裂扭轉角為680°， 有明顯的屈服平臺。圖7為不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的扭矩隨扭轉角的變化。

圖6 880 ℃奧氏體化的鋼扭轉試驗過程中扭矩隨扭轉角的變化Fig.6 Dependence of torque on torsion angle during torsion test for the investigated steel austenitized at 880 ℃

圖7 奧氏體化溫度對試驗鋼扭轉試驗過程中扭矩隨扭轉角變化的影響Fig.7 Effect of austenitizing temperatures on torque as a function of torsion angle during torsion test for the investigated steel

GB/T 10128—2007《金屬材料室溫扭轉試驗方法》規定，金屬材料的扭轉剪切屈服強度τs和抗扭強度τb按式(1)計算：

(1)

式中：Wt為材料的抗扭截面系數，根據本文扭轉試樣的形狀，Wt=πd3/16；Ms為屈服扭矩；Mb為最大扭矩。按式(1)計算獲得試驗鋼的扭轉剪切屈服強度τs和抗扭強度τb如表3所示。

由表3可知，試驗鋼的抗扭強度隨著奧氏體化溫度的升高先提高后降低，880 ℃奧氏體化的鋼抗扭強度最高，為1 847 MPa；斷裂扭轉角隨著奧氏體化溫度的升高而增大，960 ℃奧氏體化的鋼扭轉角最大，為871°。奧氏體化溫度的升高既導致球狀碳化物溶解，也促使晶粒長大，對材料抗扭強度的影響截然不同。球狀碳化物溶解有利于提高基體的含碳量，提高強度，晶粒粗大則導致強度下降。因此，隨著奧氏體化溫度的升高，鋼的抗扭強度先提高后降低，即奧氏體化溫度低于880 ℃時，碳化物溶解導致強度提高。當奧氏體化溫度超過880 ℃時，大部分碳化物溶解，提高強度的作用不大，但晶粒顯著長大，導致強度降低[11-13]。

表3 不同溫度奧氏體化、淬火和230 ℃回火的試驗鋼的扭轉性能Table 3 Torsion property of the investigated steel austenitized at different temperatures, quenched and tempered at 230 ℃

試驗鋼的斷裂扭轉角隨著奧氏體化溫度的升高而增大的原因在于：球狀碳化物與基體組織的抗變形性能差異較大，扭轉過程中易萌生裂紋。隨著奧氏體化溫度的升高，盡管試驗鋼的抗扭強度提高，但球狀碳化物的尺寸減小、含量減少，有利于增大斷裂扭轉角。球狀碳化物完全溶解后，晶粒長大更為明顯，鋼的抗變形性能提高，斷裂扭轉角隨之增大。圖8為試驗鋼扭轉試樣的斷口，有大量剪切變形韌窩，說明塑性較好。

圖8 扭轉試樣斷口的微觀形貌Fig.8 Micrographs of fracture of the torsion samples

3 結論

(1)820 ℃奧氏體化的試驗用合金工具鋼尚未完全奧氏體化，有少量塊狀鐵素體，導致淬火后硬度偏低；隨著奧氏體化溫度的升高，鋼中球狀碳化物數量減少，馬氏體板條粗化；960 ℃奧氏體化時，球狀碳化物基本全部溶解。

(2)820 ℃奧氏體化的試驗用合金工具鋼的抗扭強度為1 731 MPa，斷裂扭轉角為597°；隨著奧氏體化溫度的升高，抗扭強度先提高后降低，880 ℃奧氏體化的鋼抗扭強度最高，為1 847 MPa，960 ℃奧氏體化的鋼抗扭強度降低至1 761 MPa；斷裂扭轉角隨奧氏體化溫度升高而增大，820 ℃奧氏體化的鋼斷裂扭轉角為597°，960 ℃奧氏體化的鋼斷裂扭轉角增大至871°。