奧氏體化溫度對合金工具鋼組織和扭轉(zhuǎn)性能的影響

余子權(quán) 姚 贊

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

表面硬度、淬透性是評定工具鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)。通常，材料的硬度越高，其耐磨性越好，產(chǎn)品使用壽命越長。另一方面，很多工具類零件除了需要高硬度外，由于受到扭轉(zhuǎn)剪切力的作用，對其扭轉(zhuǎn)性能也有一定要求。王順興等[1]研究了鐵素體含量對42CrMo鋼扭轉(zhuǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著淬火溫度的降低，鋼中鐵素體含量增加，馬氏體的含碳量提高，因而抗扭強(qiáng)度提高。徐磊等[2]發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的降低，65Mn鋼抗扭強(qiáng)度提高，但扭轉(zhuǎn)角減小、塑性降低。趙亮等[3]認(rèn)為，40Cr鋼的扭轉(zhuǎn)性能與組織狀態(tài)有關(guān)，晶粒越細(xì)，其塑性和抗扭強(qiáng)度越好。吳志煜等[4]研究了拉伸預(yù)應(yīng)變對35CrMo鋼扭轉(zhuǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸強(qiáng)化可提高其扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度，但對抗扭強(qiáng)度影響較小。Kumar等[5]研究了貝氏體鋼的組織對扭轉(zhuǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)化貝氏體組織可提高材料的抗扭強(qiáng)度。目前，對鋼鐵材料扭轉(zhuǎn)性能的研究較少，且研究的大多是中低碳鋼，對高碳合金工具鋼的研究鮮見報道。

本文研究了寶山鋼鐵股份有限公司開發(fā)的一種高碳合金工具鋼的奧氏體化溫度對其組織和扭轉(zhuǎn)性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用鋼的生產(chǎn)流程為150 t電爐冶煉→精煉→真空處理→連鑄→開坯→軋制成φ8 mm盤條→退火→拉拔成φ7 mm圓棒→調(diào)質(zhì)處理。試驗用鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated steel (mass fraction) %

鋼的球化退火工藝見表2，退火組織如圖1所示。圖1表明碳化物呈球狀，尺寸及分布均勻，經(jīng)統(tǒng)計，其平均尺寸約為1.6 μm。退火處理的目的主要是：降低硬度，減少拉拔模具的損耗；提高生產(chǎn)率，提高表面質(zhì)量；獲得均勻的球狀碳化物，有利于后續(xù)熱處理獲得良好的組織均勻性[6-8]。

表2 試驗用鋼的球化退火工藝Table 2 Spheroidizing annealing process of the investigated steel

退火后對鋼進(jìn)行淬火、回火，工藝參數(shù)為：奧氏體化溫度820、840、880、900、920、940、960 ℃，保溫30 min油冷至室溫；230 ℃×60 min回火。金相試樣采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Zeiss Axiolab 5型光學(xué)顯微鏡和Zeiss EV018型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)上觀察其顯微組織；采用WNJ-500微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)檢測扭轉(zhuǎn)性能，扭轉(zhuǎn)試樣尺寸如圖2所示，直徑7 mm、標(biāo)距60 mm，扭轉(zhuǎn)速率為30 (°)/min。

圖2 扭轉(zhuǎn)試樣的尺寸Fig.2 Dimension of the torsion sample

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 奧氏體化溫度對組織的影響

試驗鋼經(jīng)820～960 ℃保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min后的微觀形貌如圖3所示，主要為回火馬氏體和未溶球狀碳化物?？梢园l(fā)現(xiàn)，820 ℃奧氏體化、淬火、回火的鋼中有少量塊狀鐵素體，如圖3(a)所示；隨著奧氏體化溫度的升高，鐵素體消失，球狀碳化物數(shù)量減少，960 ℃奧氏體化的鋼中無明顯的球狀碳化物，如圖3(g)所示。退火后鋼的組織為鐵素體+球狀碳化物，較低溫度奧氏體化的鋼中鐵素體未完全溶解，被保留至淬火、回火后；隨著奧氏體化溫度的升高，鐵素體含量減少，但球狀碳化物至960 ℃才基本溶解，因此在860～940 ℃奧氏體化、淬火、回火的鋼組織為回火馬氏體和未溶解的球狀碳化物，且碳化物數(shù)量逐漸減少。

圖3 不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火、230 ℃回火60 min的鋼的微觀形貌Fig.3 Micrographs of the investigated steel austenitized at different temperatures for 30 min, quenched and then tempered at 230 ℃ for 60 min

試驗鋼經(jīng)不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min后的SEM形貌如圖4所示。圖4表明，隨著奧氏體化溫度的升高，球狀碳化物數(shù)量逐漸減少，圖4(a)中箭頭所指為塊狀鐵素體。此外，隨著奧氏體化溫度的升高，馬氏體板條逐漸增大，如圖4(a～c)中黃色標(biāo)記所示，說明隨著奧氏體化溫度的升高，試驗鋼的晶粒逐漸長大[9-10]。

圖4 不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of the investigated steel austenitized at different temperatures for 30 min, quenched and then tempered at 230 ℃ for 60 min

2.2 奧氏體化溫度對硬度的影響

圖5為不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的硬度變化，表明隨著奧氏體化溫度的升高，鋼的硬度提高。820 ℃奧氏體化的鋼硬度最低，平均為58.5 HRC，且離散性較大。這與其組織狀態(tài)有關(guān)，因為820 ℃奧氏體化的鋼中有較多的未溶碳化物和鐵素體，前者導(dǎo)致回火馬氏體中含碳量偏低，硬度偏低，后者不均勻分布導(dǎo)致硬度波動較大。隨著奧氏體化溫度的升高，球狀碳化物溶解量逐漸增多，回火馬氏體硬度提高。

圖5 奧氏體化溫度對淬火和230 ℃回火后鋼硬度的影響Fig.5 Effect of austenitizing temperatures on hardness of the steel quenched and tempered at 230 ℃

2.3 奧氏體化溫度對扭轉(zhuǎn)性能的影響

圖6為880 ℃保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的試驗鋼在扭轉(zhuǎn)試驗過程中扭矩隨扭轉(zhuǎn)角的變化，屈服扭矩為116 N·m，最大扭矩為124 N·m， 斷裂扭轉(zhuǎn)角為680°， 有明顯的屈服平臺。圖7為不同溫度保溫30 min奧氏體化、淬火和230 ℃回火60 min的鋼的扭矩隨扭轉(zhuǎn)角的變化。

圖6 880 ℃奧氏體化的鋼扭轉(zhuǎn)試驗過程中扭矩隨扭轉(zhuǎn)角的變化Fig.6 Dependence of torque on torsion angle during torsion test for the investigated steel austenitized at 880 ℃

圖7 奧氏體化溫度對試驗鋼扭轉(zhuǎn)試驗過程中扭矩隨扭轉(zhuǎn)角變化的影響Fig.7 Effect of austenitizing temperatures on torque as a function of torsion angle during torsion test for the investigated steel

GB/T 10128—2007《金屬材料室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法》規(guī)定，金屬材料的扭轉(zhuǎn)剪切屈服強(qiáng)度τs和抗扭強(qiáng)度τb按式(1)計算：

(1)

式中：Wt為材料的抗扭截面系數(shù)，根據(jù)本文扭轉(zhuǎn)試樣的形狀，Wt=πd3/16；Ms為屈服扭矩；Mb為最大扭矩。按式(1)計算獲得試驗鋼的扭轉(zhuǎn)剪切屈服強(qiáng)度τs和抗扭強(qiáng)度τb如表3所示。

由表3可知，試驗鋼的抗扭強(qiáng)度隨著奧氏體化溫度的升高先提高后降低，880 ℃奧氏體化的鋼抗扭強(qiáng)度最高，為1 847 MPa；斷裂扭轉(zhuǎn)角隨著奧氏體化溫度的升高而增大，960 ℃奧氏體化的鋼扭轉(zhuǎn)角最大，為871°。奧氏體化溫度的升高既導(dǎo)致球狀碳化物溶解，也促使晶粒長大，對材料抗扭強(qiáng)度的影響截然不同。球狀碳化物溶解有利于提高基體的含碳量，提高強(qiáng)度，晶粒粗大則導(dǎo)致強(qiáng)度下降。因此，隨著奧氏體化溫度的升高，鋼的抗扭強(qiáng)度先提高后降低，即奧氏體化溫度低于880 ℃時，碳化物溶解導(dǎo)致強(qiáng)度提高。當(dāng)奧氏體化溫度超過880 ℃時，大部分碳化物溶解，提高強(qiáng)度的作用不大，但晶粒顯著長大，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[11-13]。

表3 不同溫度奧氏體化、淬火和230 ℃回火的試驗鋼的扭轉(zhuǎn)性能Table 3 Torsion property of the investigated steel austenitized at different temperatures, quenched and tempered at 230 ℃

試驗鋼的斷裂扭轉(zhuǎn)角隨著奧氏體化溫度的升高而增大的原因在于：球狀碳化物與基體組織的抗變形性能差異較大，扭轉(zhuǎn)過程中易萌生裂紋。隨著奧氏體化溫度的升高，盡管試驗鋼的抗扭強(qiáng)度提高，但球狀碳化物的尺寸減小、含量減少，有利于增大斷裂扭轉(zhuǎn)角。球狀碳化物完全溶解后，晶粒長大更為明顯，鋼的抗變形性能提高，斷裂扭轉(zhuǎn)角隨之增大。圖8為試驗鋼扭轉(zhuǎn)試樣的斷口，有大量剪切變形韌窩，說明塑性較好。

圖8 扭轉(zhuǎn)試樣斷口的微觀形貌Fig.8 Micrographs of fracture of the torsion samples

3 結(jié)論

(1)820 ℃奧氏體化的試驗用合金工具鋼尚未完全奧氏體化，有少量塊狀鐵素體，導(dǎo)致淬火后硬度偏低；隨著奧氏體化溫度的升高，鋼中球狀碳化物數(shù)量減少，馬氏體板條粗化；960 ℃奧氏體化時，球狀碳化物基本全部溶解。

(2)820 ℃奧氏體化的試驗用合金工具鋼的抗扭強(qiáng)度為1 731 MPa，斷裂扭轉(zhuǎn)角為597°；隨著奧氏體化溫度的升高，抗扭強(qiáng)度先提高后降低，880 ℃奧氏體化的鋼抗扭強(qiáng)度最高，為1 847 MPa，960 ℃奧氏體化的鋼抗扭強(qiáng)度降低至1 761 MPa；斷裂扭轉(zhuǎn)角隨奧氏體化溫度升高而增大，820 ℃奧氏體化的鋼斷裂扭轉(zhuǎn)角為597°，960 ℃奧氏體化的鋼斷裂扭轉(zhuǎn)角增大至871°。