回火溫度對(duì)50CrVA鋼組織性能的影響

王 超，柯加祥，楊東歐，張 虎，顧相田

（青島特殊鋼鐵有限公司棒材研究所，山東 青島266000）

1 前 言

由于具有良好韌性、較高的疲勞強(qiáng)度和淬透性，50CrVA鋼被廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路以及冶金化工等各個(gè)領(lǐng)域，常用作汽車螺旋懸掛彈簧、安全閥簧、扭力桿、穩(wěn)定桿、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。這些零件常常在復(fù)雜的環(huán)境下使用，經(jīng)受交變應(yīng)力作用，所以產(chǎn)品需具有優(yōu)良的力學(xué)性能和疲勞性能。50CrVA鋼一般經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后使用，其微觀組織決定了最終的強(qiáng)度、塑性以及沖擊性能。一般來(lái)說(shuō)，隨著強(qiáng)度的升高，材料的塑性及沖擊韌性會(huì)下降［1-3］。因此，合理的50CrVA鋼調(diào)質(zhì)熱處理工藝具有重要意義。目前為止，有關(guān)回火溫度對(duì)50CrVA 鋼組織和性能影響的研究較少，本文探討了不同回火溫度對(duì)淬火后的50CrVA 鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響，目的是確定能獲得最優(yōu)綜合性能的回火溫度，為后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的熱處理提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為某鋼鐵公司生產(chǎn)的Ф40 mm 的50CrVA 圓鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：0.51%C、0.28%Si、0.76%Mn、1.03%Cr、0.14%V、0.015%P、0.005%S，Al、Ni 適量。本文利用 JMatPro 軟件根據(jù)成分計(jì)算出50CrVA 鋼在880 ℃開始冷卻時(shí)的CCT，如圖1所示。由圖1可知，50CrVA鋼奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度A1為752.9 ℃，完全奧氏體化溫度A3為761.9 ℃。

在圓鋼1/4 處沿軋制方向取5 組毛坯樣，在SXL-1200C型箱式電阻爐中均加熱至880 ℃，保溫40 min 后淬入室溫的油中。然后將淬火樣品分別在 400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃和 600 ℃保溫 50 min 進(jìn)行回火處理，最后進(jìn)行空冷。在熱處理后的毛坯上線切割取金相樣，粗磨、拋光后采用4%硝酸酒精對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，用WMJ-9950型金相顯微鏡觀察其微觀組織。拉伸試驗(yàn)在WDW-G 型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為4 mm/min，每個(gè)回火溫度檢驗(yàn)3 個(gè)拉伸樣品，取其平均值。在JB-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試樣尺寸為國(guó)標(biāo)規(guī)定的10 mm×10 mm×55 mm（缺口類型為KV2），試驗(yàn)溫度為-20 ℃。樣品經(jīng)拋光后在洛式硬度計(jì)上測(cè)定不同回火溫度下的洛氏硬度（HRC），載荷設(shè)定為1 kN，每個(gè)試件測(cè)定6 個(gè)點(diǎn)的硬度，然后取平均值。

圖1 50CrVA鋼的CCT曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 回火溫度對(duì)組織的影響

圖2為50CrVA 鋼在880 ℃淬火后，分別經(jīng)400～600 ℃回火后的微觀組織。在淬火后的回火過(guò)程中，試驗(yàn)鋼中的馬氏體逐漸開始分解，過(guò)飽和α相析出滲碳體。鋼在400～450 ℃回火后，試驗(yàn)鋼中的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w，此時(shí)馬氏體板條形貌開始模糊，板條內(nèi)開始析出滲碳體，部分區(qū)域仍保持板條狀特征。回火溫度提高至500 ℃后，滲碳體不但在晶內(nèi)分布，在一些馬氏體板條界面和原始奧氏體晶界處滲碳體也開始析出。同時(shí)，已脫離共格關(guān)系的滲碳體明顯地聚集，片狀滲碳體的長(zhǎng)寬比逐漸減小，開始形成粒狀滲碳體［4］。550 ℃進(jìn)行回火時(shí)，板條形貌已經(jīng)基本消失，粒狀滲碳體析出，鐵素體發(fā)生了再結(jié)晶，形成了粒狀滲碳體彌散分布在再結(jié)晶的鐵素體基體上的回火索氏體組織。隨著回火溫度達(dá)到600 ℃，此時(shí)淬火馬氏體充分回復(fù)和再結(jié)晶，碳化物球化長(zhǎng)大，逐漸形成等軸狀鐵素體。試驗(yàn)鋼組織為鐵素體與均勻分布的粒狀滲碳體組成的回火索氏體。

圖2 不同回火溫度50CrVA鋼的金相組織

2.2 回火溫度對(duì)硬度的影響

從圖3 中可以看出，隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的洛氏硬度逐漸下降。試驗(yàn)鋼在400～500 ℃回火時(shí)，洛氏硬度的下降比較平緩，硬度數(shù)值為43～49 HRC。50CrVA鋼淬火后形成的馬氏體中存在大量的位錯(cuò)，在400～500 ℃回火過(guò)程中馬氏體開始分解，淬火內(nèi)應(yīng)力逐漸消失。但部分固溶的碳開始以滲碳體的形式析出，可以釘扎位錯(cuò)，對(duì)基體有一定的強(qiáng)化作用［5］。同時(shí)由于回火溫度略低，大部分的合金元素仍在基體內(nèi)部，固溶強(qiáng)化依然起著主要作用。在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火，試驗(yàn)鋼可以保持一定的硬度［6］?；鼗饻囟冗_(dá)到550～600 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的洛氏硬度明顯下降，硬度數(shù)值為36～38 HRC。此時(shí)回火溫度較高，馬氏體完全分解，碳以及其他合金元素?cái)U(kuò)散能力提高，基體內(nèi)的碳化物加速析出，固溶強(qiáng)化減弱。鐵素體基體逐漸發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，位錯(cuò)密度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致鋼的硬度下降。

圖3 不同回火溫度對(duì)50CrVA鋼硬度的影響

2.3 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

從圖4 可以看出，隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)?；鼗饻囟葹?00～500 ℃時(shí)，強(qiáng)度下降較為緩慢，且抗拉強(qiáng)度均超過(guò)1 500 MPa。而在回火溫度到600 ℃后，強(qiáng)度明顯下降，抗拉強(qiáng)度從500 ℃回火時(shí)的1 517 MPa 下降至 1 180 MPa，屈服強(qiáng)度從 1 277 MPa 下降至1 024 MPa。隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的伸長(zhǎng)率提高?；鼗饻囟仍?00～500 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼伸長(zhǎng)率的變化幅度較小，范圍在10%～13%，在550～600 ℃回火時(shí)其伸長(zhǎng)率增加到16%～17.5%。

圖4 不同回火溫度對(duì)50CrVA鋼拉伸性能的影響

由圖5 可知，在400～600 ℃進(jìn)行回火時(shí)，隨著回火溫度的提高，-20 ℃下的沖擊功不斷升高。500～600 ℃回火時(shí)，沖擊功較高，達(dá)到59.7～62.8 J。從上述結(jié)果可以得知，試驗(yàn)鋼在550 ℃回火時(shí)的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，屈服強(qiáng)度為1 140 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 307 MPa，伸長(zhǎng)率和-20 ℃沖擊功分別達(dá)到了16%和59.7 J。在此溫度下回火后，淬火馬氏體完全分解，組織內(nèi)的淬火應(yīng)力基本消失，而基體內(nèi)的碳以及其他合金元素以細(xì)小粒狀滲碳體的形式析出。同時(shí)鐵素體開始發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，但晶粒并未長(zhǎng)大，形成較為理想的回火索氏體組織，獲得良好的綜合性能。

圖5 不同回火溫度對(duì)50CrVA鋼-20 ℃沖擊功的影響

3 結(jié) 論

3.1 當(dāng) 50CrVA 鋼 880 ℃淬火后，在 400 ～500 ℃回火時(shí)，組織主要由回火屈氏體構(gòu)成，部分區(qū)域仍保持板條狀特征。隨著回火溫度的不斷提高，回火索氏體化率不斷升高。550～600 ℃進(jìn)行回火時(shí)，板條形貌已經(jīng)基本消失，鐵素體發(fā)生了再結(jié)晶，形成了粒狀滲碳體彌散分布在再結(jié)晶的鐵素體基體上的回火索氏體組織。

3.2 隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的洛氏硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率和-20 ℃沖擊功提高。50CrVA鋼經(jīng)880 ℃淬火+550 ℃回火處理后獲得最優(yōu)力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 307 MPa，屈服強(qiáng)度1 140 MPa，伸長(zhǎng)率16%，-20 ℃沖擊功也達(dá)到了59.7 J。此時(shí)回火試驗(yàn)鋼的硬度為38 HRC。