070M 55鋼正火工藝的優(yōu)化

楊新武，宛 農(nóng)

(武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430023)

070M55相當(dāng)于國內(nèi)的55#鋼，為高強(qiáng)度中碳鋼，是機(jī)器中典型軸類零件常用材料之一。所制造軸一般在正火或淬火后使用，用作要求強(qiáng)度和耐磨性較高而彈性、動(dòng)載荷及沖擊負(fù)荷不大的零件。但在常規(guī)正火后有時(shí)會(huì)出現(xiàn)粗晶、混晶等組織缺陷，影響其綜合力學(xué)性能。目前對(duì)45#鋼研究比較多，少見關(guān)于070M55工藝方面的研究，因此有必要分析其產(chǎn)生缺陷的原因，并提出相應(yīng)的改善措施。

1 組織缺陷分析

大型鍛件由于鍛造溫度高、保溫時(shí)間長，鍛造比小以及心部鍛件變形不均勻，極易出現(xiàn)混晶、粗晶等組織缺陷，需要鍛后熱處理來消除。鍛后熱處理包括預(yù)備熱處理和最終熱處理。對(duì)于碳素鋼而言，一般只需進(jìn)行預(yù)備熱處理就可達(dá)到生產(chǎn)要求。070M55為亞共析鋼，鍛后熱處理的理想組織為細(xì)小均勻的鐵素體+珠光體。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往由于微區(qū)成分偏析以及正火工藝不當(dāng)而出現(xiàn)如圖1所示組織缺陷。由于塊狀粗晶組織的存在，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降、塑性和韌性變差，最終會(huì)使整個(gè)工件報(bào)廢。

粗晶主要是由大的珠光體團(tuán)組成，而產(chǎn)生塊狀珠光體的原因與高溫時(shí)奧氏體晶粒大小和冷卻速度有關(guān)。當(dāng)奧氏體晶粒粗大時(shí)，冷卻到共析溫度時(shí)，珠光體在奧氏體晶界處的形核率降低，沿晶界形成的珠光體需要較長的時(shí)間才會(huì)相互接觸，導(dǎo)致珠光體不斷長大;再加上粗大奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)先析出少量鐵素體，而先析出的鐵素體周圍碳濃度梯度較大，當(dāng)正火溫度較高或保溫時(shí)間較長，容易造成碳原子擴(kuò)散，促使?jié)B碳體的長大，從而導(dǎo)致先析出的鐵素體逐漸被長大的滲碳體覆蓋，最后形成較大的珠光體團(tuán)［1］。同時(shí)由于心部和表面在冷卻時(shí)散熱系數(shù)不同，以及局部C、Mn等微量元素存在偏析，增加了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，在冷卻過程中難以得到均勻的片層狀珠光體組織。

圖1 070M55常見的組織缺陷

2 工藝改進(jìn)

正火要達(dá)到目的，首先是使之完全奧氏體化，但又不能使溫度太高引起奧氏體晶粒粗大，如果奧氏體化時(shí)晶粒已經(jīng)粗大，在重結(jié)晶后也會(huì)得到相應(yīng)粗大組織。對(duì)于070M55，由于沒有合金元素的加入，不存在合金元素的溶入及其均勻化方面的問題，即070M55正火時(shí)可以不需要太高的奧氏體化溫度。

根據(jù)070M55化學(xué)成分范圍要求(0.50%≤C≤0.60%，0.10% ≤Si≤0.40%，0.50% ≤ Mn≤0.90%)，計(jì)算時(shí)具體成分取(C=0.55%，Si=0.3%，Mn=0.7%)，由 Thermo－calc軟件可以計(jì)算出相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系，如圖2所示。

從圖2可以看到，Ac3點(diǎn)的溫度在760℃左右時(shí)，由于070M55不是國標(biāo)中的鋼種，很少查到關(guān)于其相變點(diǎn)的文獻(xiàn)，參考55#鋼的文獻(xiàn)［2］資料(Ac3=774℃，Ar3=755℃)看出，由Thermo－calc計(jì)算出的相變點(diǎn)與文獻(xiàn)很接近，可以作為制定工藝的依據(jù)。

圖2 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系

070M55通常的正火溫度選擇是840℃，相比一般資料推薦的正火溫度Ac3+(30－50)℃有所偏高，而且碳素結(jié)構(gòu)鋼缺少阻止奧氏體晶粒長大的合金元素，加熱溫度過高時(shí)，奧氏體晶粒很容易長大。另外，從過冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變的CCT曲線可以看出，在化學(xué)成分一定的情況下，降低加熱溫度可以縮短組織轉(zhuǎn)變的孕育期，這樣有利于提高珠光體的晶粒度，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的［3］。同時(shí)可以看出，在730℃以后才出現(xiàn)珠光體轉(zhuǎn)變，為了在珠光體轉(zhuǎn)變之前讓鐵素體充分析出，可以在740℃時(shí)等溫后轉(zhuǎn)空冷。這樣便于均勻析出鐵素體，同時(shí)也讓局部微合金元素原子擴(kuò)散均勻化，從而避免在奧氏體化保溫時(shí)晶粒的長大。通過分析，取810℃作為正火溫度，爐冷到740℃轉(zhuǎn)空冷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理后的金相組織如圖3所示。

圖3 810℃正火的金相組織

從圖3可以看到金相組織比較均勻，粗晶、混晶基本消除。為了驗(yàn)證正火溫度的進(jìn)一步降低是否會(huì)產(chǎn)生更好的晶粒細(xì)化效果，進(jìn)行790℃的正火實(shí)驗(yàn)，處理后的金相組織如圖4所示。

圖4 790℃正火的金相組織

從圖4看出，晶粒明顯細(xì)化，不存在混晶等粗大組織，只有少數(shù)不連續(xù)的原奧氏體晶界痕跡，符合正火后的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，如果繼續(xù)降低正火溫度，有可能遺傳原始粗大奧氏體晶界，從而重新出現(xiàn)混晶組織。因此要想消除070M55混晶、粗晶組織，正火溫度宜在790～810℃之間。

3 結(jié)論

3.1 070M55在790～810℃正火時(shí)可以消除產(chǎn)生粗晶、混晶等組織缺陷。

3.2 Thermo－calc軟件計(jì)算的數(shù)據(jù)可以用來指導(dǎo)制定一些非標(biāo)準(zhǔn)鋼的熱處理工藝。

［1］雷朝陽，伍繼軍.50鋼車輛熱處理局部粗晶分析與對(duì)策［J］.機(jī)車車輛工藝，2005(5):38－39.

［2］劉昌宗.珠光體轉(zhuǎn)變與退火［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］楊繼璋.35鋼制藥筒筒底采用亞溫正火的實(shí)驗(yàn)研究［J］.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，7(3):23－24.