高壓熱處理對35Cr Mo鋼組織與硬度的影響

楊小禹，李笑笑，佟 靜，胡樹凱

（1.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066000；2.燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

35CrMo鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性及穩(wěn)定可靠的服役性能等特點(diǎn)，因而被用于制造各種大中型機(jī)器設(shè)備中的重要零件[1-4]，如齒輪、曲軸、軸類及緊固件等構(gòu)件，是目前應(yīng)用最為廣泛的中碳合金鋼之一。隨著我國各類型設(shè)備國產(chǎn)化率的提高，對35CrMo鋼的使用性能也提出更高的要求，因此探討一種提高35CrMo鋼力學(xué)性能的熱處理工藝具有一定的實(shí)際意義。據(jù)文獻(xiàn)報道[5]，高壓熱處理能增大碳鋼內(nèi)的位錯密度，使其獲得細(xì)小的馬氏體組織。通常35CrMo鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用，若將高壓熱處理結(jié)合高溫回火處理，有望細(xì)化35CrMo鋼調(diào)質(zhì)后的組織，同時使鐵素體基體上析出的顆粒滲碳體分布更加彌散，從而提高其綜合力學(xué)性能，滿足一些新應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求。本文對35CrMo鋼進(jìn)行高壓熱處理后再進(jìn)行高溫回火，并探討了經(jīng)該工藝處理后35CrMo鋼的組織及硬度。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為35CrMo鋼鍛棒，其化學(xué)成分如表1所示。將35CrMo鋼鍛棒加工成尺寸為φ8 mm×10 mm的試樣，采用CS-ⅡB型六面頂壓機(jī)進(jìn)行壓力3 GPa、860℃保溫20 min的高壓熱處理，斷電保壓冷卻至室溫，冷卻速率約100℃·s-1，然后再將高壓熱處理試樣分別進(jìn)行450、500、550、600、650℃回火60 min。為了進(jìn)行對比，對原始試樣進(jìn)行傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理，即用KL-12D型箱式電阻爐進(jìn)行860℃保溫20 min的淬火處理，淬火介質(zhì)為水，然后再進(jìn)行與高壓熱處理試樣相同工藝的回火處理。試樣經(jīng)過磨制、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕顯示其顯微組織，通過4 g苦味酸+100 mL水+4 g洗滌劑溶液腐蝕顯示其原奧氏體晶粒。采用Axiovert200MAT型光學(xué)顯微鏡、Jeol-2010透射電鏡和S-4800型掃描電鏡對試樣進(jìn)行顯微組織觀察與分析，并借助HR-150洛氏硬度計測試試樣的硬度，取3次測試結(jié)果的平均值。

表1 35Cr Mo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the 35Cr Mo steel（mass fraction，%）

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1為不同狀態(tài)下35CrMo鋼的顯微組織。由圖1可知，未處理35CrMo鋼試樣的組織為塊狀的珠光體和鐵素體，經(jīng)860℃保溫20 min的淬火后組織主要為針狀和板條狀馬氏體，在3 GPa壓力下經(jīng)860℃保溫20 min的高壓熱處理后組織較細(xì)小，結(jié)合高壓熱處理試樣的硬度值（62 HRC），可斷定高壓熱處理試樣組織中存在馬氏體。經(jīng)TEM觀察（見圖2）發(fā)現(xiàn)，淬火處理和高壓熱處理后試樣的組織主要為板條馬氏體，相比之下，高壓熱處理試樣的組織較致密，馬氏體板條細(xì)小，且板條束取向較紊亂。由光學(xué)顯微鏡觀察可見，450～650℃高溫回火后高壓熱處理和淬火處理試樣的組織區(qū)別不明顯，結(jié)合硬度的測試結(jié)果，可斷定淬火處理和高壓熱處理后試樣在450℃回火時均為回火屈氏體，溫度高于550℃回火，均有回火索氏體生成，見圖3。通過SEM觀察（見圖4）發(fā)現(xiàn)，高壓熱處理試樣回火后組織中析出的碳化物細(xì)小，分布更加均勻彌散。為了弄清高壓熱處理后35CrMo鋼中馬氏體細(xì)小的原因，對淬火處理和高壓熱處理后再經(jīng)550℃回火處理試樣中的原奧氏體晶粒（見圖5）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高壓熱處理試樣中的原奧氏體晶粒小于淬火處理試樣中的原奧氏體晶粒。

圖1 不同熱處理狀態(tài)下35CrMo鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of the 35CrMo steel at different heat treatment states

圖2 不同熱處理狀態(tài)下35CrMo鋼的TEM照片F(xiàn)ig.2 TEM images of the 35CrMo steel at different heat treatment states

圖3 淬火處理（a，c）和高壓處理（b，d）的試樣經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織Fig.3 Microstructure of the quenched（a，c）and high pressure treated（b，d）specimens tempered at different temperatures

圖4 淬火處理（a）和高壓處理（b）的試樣經(jīng)550℃回火后的SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of the quenched（a）and high pressure treated（b）specimens tempered at 550℃

圖5 淬火處理（a）和高壓處理（b）的試樣經(jīng)550℃回火后的原奧氏體晶粒Fig.5 Prior austenite grain of the quenched（a）and high pressure treated（b）specimens tempered at 550℃

這是由于高壓能增大35CrMo鋼試樣內(nèi)的位錯密度，這為相變形核提供更多的部位，從而增大了新相的形核點(diǎn)，同時高壓力能降低原子的擴(kuò)散速度，抑制了晶核長大[6-7]，致使在高壓力作用下所形成的奧氏體晶粒尺寸較小，最終導(dǎo)致在冷卻過程中形成了細(xì)小的馬氏體組織。對于回火組織來說，因?yàn)榻?jīng)高壓熱處理后碳鋼試樣組織內(nèi)保留高密度位錯等缺陷[8]，同時晶界密度較高，在隨后的回火處理過程中，這些高密度的缺陷和晶界為碳化物的析出提供更多的位置，從而造成回火后析出的碳化物顆粒數(shù)量較多，顆粒尺寸細(xì)小，分布更加均勻彌散。

2.2 硬度

高壓熱處理和淬火處理35CrMo鋼試樣的硬度分別為62 HRC和55 HRC，經(jīng)450～650℃回火60min后的硬度如圖6所示。由圖6可知，兩種處理工藝試樣的硬度均隨回火溫度的升高而減小，變化趨勢一致，但高壓熱處理試樣經(jīng)回火后的硬度高于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的硬度。由測試結(jié)果可知，經(jīng)550℃保溫60 min回火后，高壓熱處理試樣的硬度為45 HRC，較傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的硬度（42 HRC）提高了7.14%。經(jīng)分析認(rèn)為，隨著回火溫度的升高，析出細(xì)小彌散的碳化物顆粒逐漸聚集長大[9]，減弱了彌散強(qiáng)化作用，從而導(dǎo)致試樣的硬度隨回火溫度的升高而減小。高壓熱處理能提高試樣的回火硬度，主要原因是高壓熱處理能細(xì)化35CrMo鋼晶粒，同時能使回火后析出的顆粒碳化物分布更加均勻彌散，此外，高壓能增大材料的致密性，這些均有利于提高材料的力學(xué)性能。

圖6 淬火處理和高壓處理的試樣經(jīng)不同溫度回火后的硬度Fig.6 Hardness of the quenched and high pressure treated specimens tempered at different temperatures

3 結(jié)論

1）35CrMo鋼經(jīng)高壓熱處理后可獲得細(xì)小的馬氏體，再經(jīng)高溫回火后，析出的顆粒狀碳化物分布較傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)后的均勻彌散，有效地提高了35CrMo鋼的硬度。

2）在回火溫度450～650℃范圍內(nèi)，35CrMo鋼經(jīng)高壓熱處理和回火后的硬度隨回火溫度的升高而降低。

3）35CrMo鋼經(jīng)3 GPa壓力、860℃保溫20 min高壓熱處理+550℃保溫60 min回火后的硬度為45 HRC，較同工藝傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理試樣的硬度提高了7.14%。