化學(xué)成分及等溫淬火溫度對(duì)低碳合金鋼組織和性能的影響

孫柯楠，刁曉剛

（1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007；2.中信重工洛陽(yáng)重鑄鐵業(yè)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

近幾十年來(lái)，貝氏體理論的應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)展，貝氏體鋼的研究開發(fā)已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視，并在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。其中，中低碳貝氏體合金鋼兼顧硬度、沖擊韌性和耐磨性，被視為耐磨材料界理想的材質(zhì)之一[4-5]。然而，中低碳合金鋼化學(xué)成分和熱處理工藝系統(tǒng)尚不完善，尤其是碳元素、硅元素含量及等溫淬火溫度對(duì)中低碳貝氏體合金鋼組織和性能的影響尚不明確。

本文通過調(diào)整低碳貝氏體合金鋼中碳含量、硅含量和熱處理工藝，研究其對(duì)組織和性能的影響規(guī)律，為低碳貝氏體合金鋼在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)參照。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料的制備

控制材料C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:0.38%、0.43%、0.48%，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:1.0%、1.5%、2.0%，配制原料。使用12 kg 中頻感應(yīng)爐熔煉鐵水，原料主要由1Cr18Ni9、錳鐵（ω（C）6%、ω（Mn）55%）、硅鐵（ω（Si）60%）、廢鋼（ω（C）0.2%、ω（Si）0.3%、ω（Mn）0.4%）、生鐵（ω（C）4.2%、ω（Si）1.0%、ω（Mn）0.4%）、鉻鐵（ω（Cr）65%）組成。所有原料熔化后，加熱到1620℃，加入純鋁脫氧，扒渣后澆注出尺寸為10mm×10 mm×55 mm 的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。試樣序號(hào)及其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

使用箱式熱處理爐和自制鹽浴爐進(jìn)行等溫淬火處理，具體工藝為:將試樣加熱到860 ℃，保溫1 h，然后迅速淬入由體積比50%NaNO3和50%KNO3組成的硝鹽中，保溫2 h 后空冷。通過改變硝鹽的溫度，研究等溫淬火溫度對(duì)低碳合金鋼組織和性能的影響，硝鹽試驗(yàn)溫度分別為270 ℃、310 ℃和340 ℃.

1.2 組織分析和性能檢測(cè)

將熱處理后的試樣使用砂輪機(jī)粗磨后，用砂紙逐級(jí)細(xì)磨。然后使用拋光機(jī)將試樣表面拋光，最后使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，獲得金相試樣。利用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。

沖擊韌性的測(cè)定采用自動(dòng)擺錘沖擊機(jī)打擊試樣，在實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)置機(jī)器的最大沖擊功是300 J，三個(gè)試樣的平均值作為最終的沖擊韌性值。使用洛氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度值，每根試樣打三次硬度，取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 碳含量對(duì)低碳合金鋼組織的影響

通常，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低碳合金鋼組織和性能的影響比較明顯。這是由于碳含量不僅影響低碳合金鋼凝固過程中相的析出特性，而且影響熱處理過程中元素的擴(kuò)散速率和殘余奧氏體或馬氏體的含碳量[6-7]。圖1 為碳含量對(duì)低碳合金鋼的影響。由圖1a）可知，組織中含有大量的白色區(qū)域，隨著碳含量的增加，這種白色區(qū)域逐漸減少，如圖1a）～1c）所示。Image-pro 軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，白色的區(qū)域從圖1a）的25%減少到圖1c）的8%.根據(jù)低碳鋼的凝固特性和熱處理特點(diǎn)，白色的區(qū)域?yàn)殍F素體和殘余奧氏體。

圖1 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低碳合金鋼的影響（Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%、等溫淬火溫度270°C）

2.2 硅含量對(duì)低碳合金鋼組織的影響

硅在鋼中是有益的元素，其主要作用是使鋼脫氧。硅在鑄造抗磨鋼中大部分固溶于鐵素體，少量以非金屬夾雜物形式存在。同時(shí)，硅在貝氏體轉(zhuǎn)變過程中強(qiáng)烈抑制碳化物的析出，類似于無(wú)碳化物貝氏體。有時(shí)，為了提高材料的耐腐蝕性，將Si 元素加入到貝氏體耐磨鋼中，降低電位差以適用于腐蝕磨損環(huán)境下服役。圖2 為硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低碳合金鋼的影響。從金相中并不能觀察出硅元素變化后組織的明顯變化。但由于Si 元素的增加抑制了貝氏體鐵素體上滲碳體的析出[8-9]，因此，當(dāng)硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，金相組織相對(duì)偏亮。

圖2 硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低碳合金鋼的影響（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.43%、等溫淬火溫度270 °C）

2.3 等溫溫度對(duì)低碳合金鋼組織的影響

等溫溫度是影響低碳貝氏體合金鋼組織的重要因素，圖3 為C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.43%、Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%時(shí)等溫溫度對(duì)低碳合金鋼的影響。當(dāng)溫度較低時(shí)，貝氏體鐵素體的尺寸變小，片層偏薄，如圖3a）所示。隨著等溫溫度的增大，貝氏體鐵素體的尺寸增加，片層變厚，如圖3c）所示。此外，低溫時(shí)，貝氏體的形態(tài)為針狀，組織內(nèi)部還存在少量的馬氏體相。高溫時(shí)，貝氏體的形態(tài)相似于上貝氏體，呈羽毛狀分布。

圖3 等溫溫度對(duì)低碳合金鋼的影響（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.43%、Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%）

2.4 化學(xué)成分和等溫溫度對(duì)低碳合金鋼性能的影響

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%時(shí)低合金鋼韌性和硬度曲線如圖4 所示。由圖4a）可知，在270 ℃～340 ℃范圍內(nèi)，隨著等溫淬火的溫度升高，低合金鋼的沖擊韌性有逐漸變大的趨勢(shì)；由圖4b）可知，在270 ℃～340 ℃范圍內(nèi)，硬度隨著等溫淬火的溫度升高是先升高后降低的。由金相圖可看出，基體中分布著大量的條狀馬氏體，少量的針狀下貝氏體和殘余奧氏體。馬氏體可以增加材料的硬度，馬氏體量比較多時(shí)，材料的韌性又要下將。在270 ℃時(shí)，這個(gè)溫度很接近C-曲線的“鼻子”點(diǎn)，其奧氏體孕育時(shí)間短，有大量的時(shí)間轉(zhuǎn)化為下貝氏體組織，在隨后的冷卻中有少量的轉(zhuǎn)化為馬氏體。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.43%時(shí)低合金鋼韌性和硬度曲線如圖5 所示。在270 ℃～340 ℃之間，隨著等溫溫度的升高，低合金鋼的韌性先降低后升高，硬度隨著等溫溫度的升高有降低的趨勢(shì)，在270 ℃時(shí)，同種化學(xué)成分的低合金鋼韌性最好。Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，低合金鋼中有大量的馬氏體，呈大塊的白色區(qū)域，還有稀疏的殘余奧氏體，下貝氏體組織，殘余殘余奧氏體和下貝氏體量少使得材料的韌性降低，而大量的馬氏體卻增加了材料的硬度。Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，馬氏體的量逐漸減少，同時(shí)殘余奧氏體的量又增加了，下貝氏體量也增多了。Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，有大量的細(xì)化奧氏體，呈白色條狀型，馬氏體的量顯然減少，所以材料的韌性大，而硬度小。這證明了Si 有穩(wěn)定奧氏體和細(xì)化奧氏體的作用。

圖4 等溫溫度和Si 含量對(duì)低碳合金鋼的影響（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.38%）

圖5 等溫溫度和Si 含量對(duì)低碳合金鋼的影響（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.43%）

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%時(shí)低合金鋼韌性和硬度曲線如圖6 所示。當(dāng)C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%時(shí)，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，其韌性在不同的等溫溫度下，都較好，說明了Si 有穩(wěn)定和細(xì)化奧氏體的作用。但隨著等溫溫度的升高是先升高再降低，硬度也是隨著溫度升高先升高再降低，在310 ℃時(shí)具有最好的機(jī)械性能。由金相圖可知，有大量的奧氏體殘余，一定量的馬氏體，大量的針狀貝氏體，使其具有很好的韌性和硬度性能。圖6 還表明，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，韌性較Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%低，硬度卻高很多，原因?yàn)榻M織結(jié)構(gòu)中有很多的馬氏體，使得硬度很大。

圖6 等溫溫度和Si 含量對(duì)低碳合金鋼的影響（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.48%）

3 結(jié)論

本文通過研究化學(xué)成分和等溫淬火溫度對(duì)低合金貝氏體鋼的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論:

1）在其他條件不變的情況下，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.38%到0.48%的上升，低碳合金貝氏體鋼的沖擊韌性不斷下降，硬度不斷上升；

2）在其他條件不變的情況下，隨著Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%到2.0%的升高，實(shí)驗(yàn)鋼的沖擊韌性呈上升的趨勢(shì)，而硬度則呈下降的趨勢(shì)；

3）實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)過等溫淬火處理后，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.43%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，等溫溫度為310 ℃時(shí)，其綜合力學(xué)性能最優(yōu)。