淬火工艺对低合金耐磨钢组织与力学性能的影响
发布时间:2022-05-06
摘要: 选用不含 Nb 钢和含 Nb( 质量分数,0. 021% ) 钢作为试验材料,采用扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜( TEM) 、布氏硬度测试、冲击和拉伸等试验手段研究试验钢轧制后在不同温度加热淬火 + 回火及 850 ℃在线淬火 + 不同温度回火两种热处理工艺下的组织和综合性能。结果表明: 再加热淬火 + 回火工艺下,含 Nb 钢随淬火温度的提高,强度和韧性都有所提高,在 950 ℃ 淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳,其强度为 1843 MPa,硬度值为 567 HBW,- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 31 J,符合 NM500 的标准; 在线淬火 + 回火工艺下随着回火温度的提高,试验钢的综合性能降低,但含 Nb 钢的性能都高于相同条件下的不含 Nb 钢。含 Nb 钢在 850 ℃在线淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳,其强度为 1818 MPa,硬度值为 562 HBW,- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 30 J,同样达到了 NM500 的标准。
关键词: 低合金耐磨钢; 原奥氏体晶粒; 再加热淬火; 在线淬火; 力学性能
断裂、腐蚀和磨损是材料的 3 种破坏形式。虽然材料的磨损很少引起金属工件灾难性的危害,但随着现代工业和科学技术的飞跃发展,高速运转的机械设备受摩擦磨损的速度越来越快,其使用寿命成为影响现代设备生产效率的重要因素[1]。磨损零件的维修、更换等造成的能源和材料消耗是十分惊人的。因此,研究和发展用于磨损条件下的高性能耐磨材料,以减少金属磨损,对国民经济的发展具有重要的意义。本文通过含 Nb 钢和不含 Nb 钢的对比试验,研究了 Nb 元素在中碳耐磨钢淬火过程中组织遗传效应以及不同热处理方式下 Nb 对中碳耐磨钢组织和力学性能的影响,初步分析 Nb 元素在中碳耐磨钢中的作用机理。
1 试验材料与方案
1. 1 试样制备与试验方法
试验钢采用 25 kg 真空感应炉冶炼,其化学成分如表 1 所示。Nb 可以起到细晶强化、析出强化的作用[2-4]。为了对比 Nb 在耐磨钢中的作用,在其它元素成分相同的情况,分别设计不含 Nb 的 A 钢和含 Nb 量 0. 021% 的 B 钢作为对比研究的试验用钢。采用 ZG0. 025 真空感应炉冶炼,冶炼真空度为10 Pa,浇注成20 kg 的铸坯。加热至 1200 ℃ ,保温 4 h 均匀化处理后锻造成截面为 80 mm × 80 mm 的长方形坯料。将长方形坯料加热至 1200 ℃ 后采用两阶段控轧工艺,轧成厚度为 12 mm 的钢板。随后采取两种不同的热处理工艺。
试验钢的拉伸和冲击试样均沿轧制方向切取。拉伸试验在 CMT-4105 型万能试验机上进行,依据 GB /T 228—2002《金属材料 室温拉伸试验方法》,采用直径为 ?5 mm,标距为 25 mm 的圆棒拉伸试样。冲击试验在 JB-30B 型冲击试验机上依据 GB /T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法 》进行,采用标准的 V 型缺口冲击试样,试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 55 mm,试验温度为 - 20 ℃。采用 HB-3000 布氏硬度计测取钢板表面布氏硬度值。使用线切割机在热处理处后的钢板上取样,对轧向垂直截面进行砂纸打磨、抛光。使用过饱和苦味酸水溶液浸蚀原始奥氏体组织,采用配置电子背散射衍射( EBSD) 系统的 Zeiss ultra 55 场发射扫描电子显微镜( FESEM) 进行微观组 织 观 察 和分析。
1. 2 淬火工艺
1) 再加热淬火工艺: 将轧制后的钢板直接空冷至室温,然后分别加热至 850、900 和 950 ℃ 保温 40 min 后 水 淬,淬火后进行回火处理,回火温度分别为 200、250 ℃ ,保温时间 30 min。具体方案如图 1( a) 所示。
2) 在线淬火工艺: 将轧制后的钢板冷却至 850 ℃ 时,直接水淬至室温,回火温度分别为 200、250 和 300 ℃ 保温 30 min,具体方案如图 1( b) 所示。
2 试验结果与讨论
2. 1 淬火工艺对原奥氏体晶粒的影响
图 2 分别为 A 钢和 B 钢经过 850 ℃ 和 950 ℃ 淬火后的原始奥氏体晶粒形貌。表 2 为 A 钢和 B 钢的原始奥氏体晶粒尺寸。由此可知,淬火温度由 850 ℃ 升高到 950 ℃时,两种钢的原始奥氏体晶粒都呈长大趋势。再结晶后晶粒长大的驱动力主要是晶粒长大前后总的界面能差,它是整个系统力求使总的界面自由能达到最小值的一个自发过程。而晶粒的长大过程主要是依靠晶界的移动来进行的。微量元素 Nb 易在晶界处偏聚,且在加热过程中,Nb 原子在奥氏体中的扩散速度较慢,阻碍晶界的迁移。在随后的轧制过程中,高温形变诱导促进了 NbC 的析出,析出物通过钉扎晶界,抑制 B 钢的再结晶,阻碍晶粒的长大,因此热处理前 B 钢的尺寸小于 A 钢。在淬火过程中,Nb 溶质的拖曳作用和 NbC 析出物对晶界的钉扎作用抑制了含 Nb 钢 奥 氏 体 晶 粒 的 长 大,细化了原始奥氏体晶粒[5]。
2. 2 淬火工艺对力学性能的影响
2. 2. 1 再加热淬火
图 3 为试验钢经 850、900 和 950 ℃ 淬火和 200、 250 ℃回火 30 min 后的力学性能。由图 3 可知,回火温度为 200 ℃ 的情况下,淬火温度由 850 ℃ 提高到 900 ℃时,A 钢的抗拉强度基本保持不变,当淬火温度提高到 950 ℃时,抗拉强度下降了大约 40 MPa。硬度的变化趋势同抗拉强度相似,A 钢的硬度值随淬火温度的提高先是变化微小后降低。而冲击吸收能量的变化则与抗拉强度正好相反,随淬火温度的提高,冲击吸收能量逐渐增加,钢的韧性得到优化。对于 B 钢,随着淬火温度的提高,其抗拉强度也在提高,当淬火温度从850 ℃升高到950 ℃时,其抗拉强度提高了约130 MPa。同时,布氏硬度和冲击吸收能量也随淬火温度的提高而逐渐增加,这说明加入微量 Nb 后,耐磨钢强度的增加并没有造成韧性的损失。当回火温度为 250 ℃ 时,随淬火温度的提高,B 钢的强度和硬度略有下降,冲击吸收能量则略有增加。而 A 钢淬火温度从 850 ℃ 升高到 900 ℃时,其力学性能略有差异,当淬火温度升高至 950 ℃时,A 钢韧性稍有提高,但是其抗拉强度和硬度出现急剧的下降。
2. 2. 2 在线淬火
在线淬火加回火处理后试样的力学性能见图 4。由图4 可知,当回火温度为 200 ℃ 时,A 钢的抗拉强度为 1609 MPa,而相同条件下 B 钢的抗拉强度达到 1818 MPa。随着回火温度的提高,两种钢的抗拉强度都呈现下降趋势,但是 B 钢的抗拉强度都高于相同条件下 A 钢的抗拉强度。
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在冲击韧性方面,由图 4 可看出,随着回火温度的增加,A 钢在 200 ℃和 250 ℃ 的冲击吸收能量基本保持不变,B 钢的冲击韧性略有下降,当回火温度升高到 300 ℃时,A 钢的冲击吸收能量急剧下降,只有 13 J,B 钢的冲击吸收能量虽明显高于 A 钢,但也下降到 22 J。在布氏硬度方面,随着回火温度的提高,两种钢的硬度值都降低,A 钢和 B 钢都在 200 ℃ 回火时布氏硬度值较高。
2. 3 淬火工艺对显微组织的影响
2. 3. 1 再加热淬火
图5 为 A 钢在850、900 和 950 ℃淬火后经过 200 ℃ 回火的 SEM 图像; 图 6 为两种钢在 950 ℃淬火后经过 250 ℃ 回火的 SEM 图像。由图 5 可知,回火温度为 200 ℃时,不同淬火温度下,A 钢的组织均为回火马氏体,细小的碳化物弥散分布在马氏体内部和板条之间,同时隐约可见原奥氏体晶界,并且随着淬火温度的提高,原奥氏体晶粒尺寸也随之增加。由图 6( a,b) 对比可知,在相同热处理条件下,A 钢中碳化物明显粗化,而含 Nb 的 B 钢中的碳化物更弥散,尺寸更细小。因此推测 A 钢中碳化物的粗化造成了其在 250 ℃ 回火时力学性能的明显下降。 2. 3. 2 在线淬火在线淬火后不同温度回火的 SEM 照片如图 7 所示。可以看出得到的组织均为回火马氏体。由图 7( a,d) 可知,200 ℃ 回火后 A 和 B 钢组织中原奥氏体晶界均比较模糊,马氏体板条束之间互相交叉分割,有着较大的位向差,在板条内部有细小均匀的碳化物颗粒析出。随着回火温度的提高,板条出现合并现象。
由图 7( b,c) 可以看出,经过 250 ℃回火 A 钢组织 中析出的碳化物出现粗化现象,当回火温度升高到 300 ℃时,组织中的碳化物粗化现象更加明显,研究表明[6-8],碳化物的粗化会引起应力集中,影响材料的冲击韧性,即碳化物的粗化是造成 A 钢在 300 ℃ 下冲击吸收能量低的一个重要原因。而 B 钢经过 300 ℃ 回火后,碳化物仍然比较细小,如图 7( e,f) ,表明 Nb 的添加促进了钢中碳化物的析出,抑制了马氏体中的位错回复,细化再结晶晶粒。
图 8 为两种试验钢的 TEM 照片,图 9 为 B 钢 200 ℃ 回火后的析出物形貌和能谱图。由图 8 可知,A 钢中的马氏体板条接近平行排列,板条宽度大约 200 nm,板条边界逐渐模糊,个别板条的内部位错已经消失。而 B 钢中马氏体板条间界面非常清晰,马氏体内部位错密度大,呈现混乱的团状,充满整个板条。这对基体的强度和韧性提高有很重要的影响。由图 9 可知,B 钢经过 200 ℃回火后,弥散分布着大量的析出物,且此析出物主要为含 Nb 析出物,其大小约 20 nm。Nb 的析出物在回火过程中可以钉扎位错,由此引发的位错强化以及析出强化可以进一步提高 B 钢的强度和硬度。
3 结论
本文研究了再加热淬火 + 回火和在线淬火 + 回火两种热处理工艺对中碳耐磨钢组织和性能的影响,为制定工业化生产 NM500 工程机械用耐磨板提供指导意义。综合试验结果得到以下结论:
1) 再加热淬火 + 回火工艺下,含 Nb 钢在 950 ℃ 淬火 + 200 ℃回火处理下综合性能最佳,高于不含 Nb钢的性能,其强度为 1843 MPa,硬度值为 567 HBW,- 20 ℃下的冲击吸收能量为 31 J,完全符合 NM500 的标准,且随淬火温度的提高,含 Nb 钢的强度和韧性都有所提高,说明加入 Nb 后,含 Nb 钢强度的提高并没有造成韧性的损失。两种钢的微观组织均为回火马氏体,其中弥散分布着细小的碳化物,通过对比两种钢相同工艺下的微观组织可知,加入少量的 Nb 能够抑制碳化物的粗化。
2) 在线淬火 + 回火工艺下,含 Nb 钢在 850 ℃ 在线淬火 + 200 ℃ 回火处理下综合性能最佳,其强度为 1818 MPa,硬度值为 562 HBW,- 20 ℃ 下的冲击吸收能量为 30 J,同样达到了 NM500 的标准。随着回火温度的提高,试验钢的综合性能降低,但含 Nb 钢的性能都高于相同条件下的不含 Nb 钢。通过组织观察和能谱分析可知试验钢组织为回火马氏体,且含 Nb 钢中存在大量 Nb 的析出物。——论文作者:王明娣1 ,刘东权2 ,武会宾2
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