強烈淬火工藝制備超高強韌鋼的應用展望

明章生, 趙 杰, 栗克建, 曹鵬軍, 朱 斌, 馮 毅

(1. 重慶科技學院 冶金與材料工程學院, 重慶 401331; 2. 寶武特冶航研科技有限公司, 重慶 400084;3. 中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122)

強烈淬火最初由Kobasko博士提出,并首次引用強烈淬火的術語。隨著社會科技不斷地發展,對材料性能的要求不斷提高,對低能耗、低污染的熱處理工藝需要進一步深入研究,美國于2004年公布了美國熱處理技術發展路線圖,其中強烈淬火具備的“超強化”效應、低能耗以及對環境污染小等優點,受到了高度重視[1-2]。強烈淬火工藝分為3種,即IQ-1、IQ-2和IQ-3。其中IQ-1利用蒸汽膜和沸騰階段對工件進行冷卻;IQ-2先將工件浸入高速攪拌的鹽水中進行冷卻,隨后取出在空氣中冷卻,最后再次浸入鹽水中對流冷卻;IQ-3直接將工件進行對流冷卻,在工件的表層形成“硬殼”,然后轉為空冷。強烈淬火工藝的技術核心是通過控制淬火介質的流量、流速和壓力,使工件獲得理想的組織和應力分布,既可以減少工件畸變的概率,又可以提高工件的力學性能和使用壽命。

超高強韌鋼由于具備高強度的同時兼備高韌性,因此在國防和民用機械工程領域有著廣泛的應用。但如何在保證鋼材高強度的同時兼備高韌性,一直都是鋼鐵領域研究的難題。多年來的研究表明[3-5],強烈淬火工藝具備獨特的工藝特點,能夠使鋼在保持高強度的同時具備高韌性。本文從強烈淬火工藝具備的工藝特點以及超高強韌鋼的性能要求考慮,將強烈淬火工藝運用于超高強韌鋼的開發領域,并對其組織性能進行分析與討論[6]。

1 發展背景

強烈淬火最初由Kobasko博士提出,當時由于機器零件淬火后,因冷速過大而容易產生裂紋,如果改用油淬的話雖然可以防止裂紋的產生,但卻會導致零件的強度和硬度降低,因此Kobasko博士通過大量的試驗,研究了不同冷速與裂紋產生幾率的關系,最后得出結論,隨著冷卻速率的增加,裂紋的形成幾率先增加至最大值,然后隨著冷卻速率的增加逐漸減少至零。

工件淬火時,與淬火劑之間的傳熱分為3個階段:蒸汽膜階段、核沸騰階段和對流階段。在以水作為淬火劑進行淬火時,由于工件本身溫度極高,遠超水的蒸發溫度,因此工件在淬火過程中,工件表面會形成蒸汽膜阻斷工件與水的換熱,工件通過輻射和與蒸汽膜之間的熱傳導進行傳熱,傳熱效率低。而在強烈淬火工藝中,工件在鹽水中淬火,淬火初期的蒸汽膜階段會由于鹽粒的爆破作用而將蒸汽膜擊破,形成小氣泡,在此期間,工件的傳熱方式有輻射、對流以及與氣泡之間的傳熱,并且產生的小氣泡會擾亂工件附近的水流,造成近似攪拌的作用,因此強烈淬火工藝的傳熱效率高,冷卻速度快[7]。圖1為強烈淬火過程中3個階段的示意圖。

將工件進行強烈淬火工藝處理時,首先由于心部與表面的溫差,表面收縮產生拉應力;隨后表層由奧氏體轉變為馬氏體,體積膨脹產生壓應力;當表層全部轉變為馬氏體后,心部開始冷卻,心部奧氏體變冷體積收縮,表面壓應力進一步增大;繼續冷卻,心部奧氏體向馬氏體轉變,但由于表層較大的壓應力,心部奧氏體不能完全轉變為馬氏體,因此有部分奧氏體殘留在工件心部。

2 國內發展現狀

淬火工藝是金屬熱處理最常用的一種方法,通過較高的冷卻速度將鋼件冷卻至淬火介質溫度,鋼件內的奧氏體組織轉變為馬氏體組織或貝氏體組織,以達到提高鋼件力學性能和使用壽命的目的。但常規的水淬冷速過快,容易導致鋼件產生裂紋,而油淬雖然冷速低于水淬,產生裂紋的幾率小,但會造成嚴重的環境污染[8]。強烈淬火利用鹽溶液作為淬火劑,對環境污染小,同時由于極快的冷速,在鋼件的表面產生壓應力,阻止了裂紋的產生。有學者[9-11]研究了強烈淬火工藝后鋼的內部組織及力學性能的變化,鋼件經強烈淬火后內部顯微組織主要為板條馬氏體,且邊緣馬氏體組織要比心部馬氏體組織細,強烈淬火后表層會發生再結晶現象,且由表層至心部逐漸降低,表層至心部形成了細晶粒-粗晶粒梯度層;強烈淬火后試件硬度、韌性、使用壽命均有提高,鋼件在具有高硬度的同時兼備較高的韌性。

大量的研究表明[12-14],細化晶粒、納米析出相及高密度位錯均能在提高鋼材強度的同時提高韌性,強烈淬火過程中超快的冷速導致了過冷度增大,形核驅動力增大、形核位點增多、納米析出相增多以及位錯密度增加,鋼材在熱處理過程中獲得了額外的“超強化”,并且這種強化并不僅僅只體現在強度及韌性的增加,在抗疲勞性能、使用壽命和耐蝕性能方面的強化更加顯著。

3 國外發展現狀

在2004年美國公布的美國熱處理技術發展路線圖中,已將強烈淬火工藝視為最值得重視的研究項目之一,并且獲準以Intensi Quench服務商標注冊了IQ Technologies Inc公司[15]。美國AFC-Holcroft公司設計安裝了第一個配備IQ水箱的整體淬火爐,并安裝在俄亥俄州克利夫蘭市歐euclid熱處理公司(EHT);用高速攪拌的水基淬火系統取代冷卻室中的油淬槽,在該基礎上進行了大量的淬火試驗以及計算機模擬試驗,實現了產品性能額外提升及成本的顯著降低。在該水箱中以亞硝酸鈉為淬火劑,并且IQ水箱的攪拌速率是普通水箱的數倍,IQ水箱的底部和螺旋槳管內部各安裝了一組擋板,保證強烈淬火過程中水流分布的均勻性[16]。圖2為IQ水箱的整體淬火爐照片。

圖2 IQ水箱的整體淬火爐照片[16]Fig.2 Photo of the overall quenching furnace with IQ tank[16]

采用強烈淬火工藝替代油淬,可以消除對環境有害的油和含水聚合物淬火劑,降低了淬火過程中的風險,減少零件開裂傾向,采用強烈淬火工藝處理普通碳素鋼,可以使用更便宜的鋼材替代昂貴的合金,目前已經將強烈淬火工藝運用于汽車零件的生產中,并且已取得了顯著的經濟效益[17-18]。

強烈淬火過程中,工件和介質之間的傳熱方式決定了工件的冷卻速度,傳熱系數是指單位時間和單位面積內,工件與淬火介質相差1 ℃所傳遞的熱量,可以定量評定介質的冷卻能力[19]。在強烈淬火過程中,瞬態傳熱過程是影響工件冷卻速度的最關鍵因素。大量試驗研究表明,淬火過程中工件表面的有效傳熱系數與溫度密切相關,提供的邊界條件的準確性將直接影響測定結果[20-22]。瞬態核沸騰持續時間與厚度的平方成正比,與形狀系數、初始溫度、淬火系統冷卻強度有關,與材料的熱擴散系數成反比,可由式(1)表達[23]:

(1)

Biot為熱傳導與熱流的比值,可用式(2)定義:

(2)

表1 不同直徑鋼瓶在靜水中淬火時的瞬態核沸騰過程持續時間[24]

通過改變瞬態核沸騰過程持續的時間,可以防止強烈淬火過程中馬氏體轉變,以獲得細貝氏體和納米貝氏體,可以使用普通高碳鋼獲得高硬度和高韌性的材料,節省昂貴的合金材料。

相較于傳統的淬火工藝,強烈淬火工藝有著獨特的優勢,但現實中卻受限于淬火設備以及工藝的復雜性而難以進行工業化生產,計算機與熱處理工藝結合使熱處理過程“可視化”,為強烈淬火技術的發展提供了新的路徑[25]。Kobasko等[26]基于CFD模擬和試驗計算了強烈淬火過程的初始和臨界熱流密度,預測了淬火過程中的傳熱模式。結果表明,初始熱流密度小于臨界熱流密度,當初始熱流密度≥臨界熱流密度時,為膜沸騰,當初始熱流密度≤臨界熱流密度時,為核沸騰。Rath等[27]研究了強烈淬火工藝下,工件表面的殘余應力與Biot值的關系。結果表明,當工件進行強烈淬火時,第一時間產生的是拉應力,隨后快速冷卻過程中表面產生收縮,拉應力轉變為壓應力。表面到心部距離較小(小尺寸工件)時,強烈淬火會在工件表面形成壓應力,而當工件尺寸逐漸增大時,殘余應力轉變為拉應力,而當Biot值較大時,即使大尺寸工件也會在表面形成壓應力。Biot值隨Ms點升高而增大,當Ms點升至65 ℃時達到最大值,隨著Ms點和Biot值的增大,工件表面趨向于生成壓應力。美國國家制造科學中心開發了DANTE模型,該模型幾乎可以適用于任何鋼件,該過程首先使用有限元方法分析淬火過程中零件內部的熱和應力分布,包括一個非線性瞬態熱傳導方程和一組在零件表面具有運動強化的熱塑性-塑性流動方程[17]。

由于強烈淬火工藝操作過程較為復雜,且對于不同形狀尺寸的工件,工藝參數也會有很大的變化,因此建立強烈淬火工藝數據庫是強烈淬火工藝發展的主要方向,目前對于部分鋼材已有詳細的數據記載[28-30]。

4 應用與展望

一般而言,材料的強度與韌性是相互對立的性能,強度的增加必然導致韌性的降低,但目前已有研究表明,金屬材料中的梯度層可以顯著提高材料的強度與韌性[31-32]。相關研究[33-34]根據混合規則計算了梯度結構樣品的強度,結果表明,宏觀應力與梯度結構引起了協同強化作用,在梯度結構上產生應變梯度,進而導致位錯積累,提高了塑性變形層的強度。當材料受到應力作用時,具有晶粒尺寸梯度的材料,塑性變形會首先發生在粗晶粒中,隨著載荷的增加逐漸擴展到更小的晶粒,有序的塑性變形釋放了晶間應力,避免了應力集中,梯度結構延長了大塑性應變下的TRIP效應[35],通過晶粒梯度結構和動態應變分配實現了高強度與高塑性的良好結合[36]。

Saha等[37]通過表面機械磨損處理制備了納米晶316L奧氏體不銹鋼,其拉伸強度高達1450 MPa,是粗晶粒樣品的6倍,這是由于納米尺寸的晶粒阻礙了晶格位錯的運動。Roodgari等[38]通過攪拌摩擦焊(FSW)和奧氏體化處理制備了層狀鐵素體-馬氏體雙相鋼(DP鋼),在FSW過程中發生了連續動態再結晶,而在熔焊后和奧氏體化處理過程中發生了連續的靜態再結晶,隨著橫移速度增加DP鋼的強度與加工硬化率逐漸提高,采用FSW和奧氏體化處理后的DP鋼形成了合適的層狀組織,獲得了較好的強度-塑性平衡。Gao等[39]通過調整DP鋼的非均質性提高DP鋼的強度-塑性協同效應,結果表明,馬氏體體積分數高的DP鋼表現出較好的強度-塑性結合。Fei等[40]研究了高韌性中錳鋼在常規退火和強烈淬火+深冷熱處理兩種熱處理工藝下顯微組織和拉伸性能的變化。結果表明,在強烈淬火+深冷熱處理工藝下試樣的表面與心部之間形成了明顯的細晶粒-粗晶粒梯度層,且在心部殘留有較多的奧氏體,利用公式fr=fr0exp(-kε)計算了量化殘留奧氏體穩定性的k值(fr0和fr分別為拉伸試驗前的初始奧氏體分數和應變ε時的奧氏體分數,k值越大,奧氏體穩定性越低),經強烈淬火+深冷熱處理試樣的k值(1.65)遠低于常規退火試樣的k值(4.39),通過測量試樣的拉伸曲線證明了經強烈淬火+深冷熱處理后試樣的拉伸性能明顯優于常規退火,這是由于細晶粒-粗晶粒梯度層顯著提高了彈性應變能,且殘留奧氏體較高的力學穩定性使得TRIP效應在較大的應變范圍內發生。圖3和圖4分別為常規退火和強烈淬火+深冷熱處理工藝下高強韌中錳鋼試樣的拉伸性能和應變硬化行為曲線以及EBSD圖片。圖3中IA為臨界退火,D為深冷淬火。

圖3 常規退火和強烈淬火工程試樣的工程應力-應變曲線(a)、應變硬化曲線(b)[40]Fig.3 Engineering stress-engineering strain curves(a) and strain hardening curves(b) of specimens annealed and intensive quenched[40]

圖4 常規退火和強烈淬火+深冷熱處理工藝下高強韌中錳鋼的EBSD圖[40](a)700 ℃退火;(b)750 ℃退火;(c)700 ℃強烈淬火+深冷熱處理;(d)750 ℃強烈淬火+深冷熱處理Fig.4 EBSD images of high strength and toughness medium manganese steel under conventional annealing and intensive quenching+cryogenic heat treatment process[40](a) annealing at 700 ℃; (b) annealing at 750 ℃; (c) 700 ℃ intensive quenching+cryogenic heat treatment; (d) 750 ℃ intensive quenching+cryogenic heat treatment

Liang等[41]研究了強烈淬火工藝下低碳低合金鋼內微觀組織與材料性能的變化,圖5為低碳合金鋼的SEM、晶界波段對比圖(其中黑色為高角度晶界,藍色為低角度晶界)和KAM圖(其中紅色為幾何必要位錯)。

研究表明,在高冷速下低碳低合金鋼內組織為細板條馬氏體與細板條貝氏體,并且在板條間含有殘留奧氏體,存在大量的幾何必要位錯和小尺寸晶界。細小尺寸的板條馬氏體與板條貝氏體提高了材料的強度,而晶間存在的殘留奧氏體和幾何必要位錯提高了材料的韌性。有研究表明,小角度晶界可以通過聚集和放大位錯來提高材料的塑性[42-44]。

強烈淬火工藝通過極快的冷速將工件冷卻,在工件的表明形成一層馬氏體薄殼,由于工件表面和內部存在著較大的溫度差以及超快的冷卻速度,工件內部的奧氏體未能全部轉化為馬氏體,最終保留下來,工件表層由于極快的冷卻速度,表層至心部形成細晶粒-粗晶粒梯度層,工件在受到外力作用而發生變形時,應力在粗晶粒與細晶粒之間均勻分布,避免了晶界處的應力集中而萌生裂紋。由于強烈淬火工藝能夠形成獨特的晶粒尺寸梯度層且心部能夠保留較多的殘留奧氏體,對材料的強度和韌性都有較大的提升,強度與韌性能夠保持較好的平衡,因此可以預測,強烈淬火工藝在超高強韌鋼的研究開發上會有廣泛的應用。

5 結語

1) 強烈淬火工藝具有能耗低、無污染及對材料附加額外的“超強化”等特點而備受關注。

2) 國外對強烈淬火工藝的研究開發較為成熟,并且已經投入了實際工業生產中,目前國外已初步建立了強烈淬火工藝參數數據庫,我國對強烈淬火工藝的研究較少,目前處于初步的探索階段,亟待建立強烈淬火工藝參數數據庫。

3) 強烈淬火處理后的工件表層至心部形成細晶粒-粗晶粒的梯度層,且在心部保留有大量的殘留奧氏體,在外力作用下發生變形時,應力會在粗晶粒和細晶粒之間均勻分布,避免了應力在晶間聚集,且心部的殘留奧氏體會向馬氏體轉變獲得TRIP效應強化,工件在具備高強度的同時兼備高韌性,工件保持良好的強度-韌性協同作用,由此提出將強烈淬火工藝應用于超高強韌鋼的開發。