深冷處理對45鋼力學性能和尺寸穩(wěn)定性的影響研究

張志春,王 飛,閆 凡,陳國瑞,吳廣輝,翁澤鉅,顧開選

(1.陜西鐵路物流集團有限公司,陜西 西安 710076; 2. 湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司,湖南 株洲 412001;3. 中國科學院低溫工程學重點實驗室(理化技術(shù)研究所),北京 100190)

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,具有良好的機械性能且價格低廉,在機械制造領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但其最大的弱點是淬透性差,對于截面積較大的零件存在無法淬透的風險[1]。此外,在實際生產(chǎn)中45鋼結(jié)構(gòu)件往往會面臨力學性能不足、耐磨性差和尺寸穩(wěn)定性差等問題,從而嚴重影響結(jié)構(gòu)件的服役性能。因此,采用合適的工藝方法進一步提高45鋼的性能具有重要的意義。

熱處理是獲得材料服役性能的基礎(chǔ)工藝,45鋼通常采用淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)工藝獲得相對優(yōu)越的綜合性能[2]。深冷處理技術(shù)是傳統(tǒng)熱處理的補充工藝,是將材料降溫至一定的低溫溫度(≤-100 ℃),通過微觀組織的進一步轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)材料性能的提升[3]。目前,深冷處理已廣泛應(yīng)用于工具鋼、模具鋼、軸承鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等材料,能夠有效提高材料的耐磨性[4-7]、尺寸穩(wěn)定性[8-9]和綜合力學性能[10-12]。大量研究表明,深冷處理能夠促使淬火后組織中亞穩(wěn)態(tài)的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體,并促使馬氏體基體中析出超細碳化物顆粒,從而提高材料的性能,對于淬火后殘余奧氏體含量越高的材料,深冷處理效果更加顯著[13-14]。由于其熱處理制度、微觀組織轉(zhuǎn)變等在不同類型的鋼中存在明顯的區(qū)別,因此深冷處理的工藝和效果也存在差別。目前關(guān)于45鋼深冷處理工藝的研究和應(yīng)用相對較少,對于其處理工藝、機理和效果還有待研究。本文對45鋼采用深冷處理技術(shù)與傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)熱處理相結(jié)合,研究不同的處理工序?qū)?5鋼力學性能、尺寸穩(wěn)定性和微觀組織的影響,從而為45鋼進行深冷處理的應(yīng)用提供工藝指導。

1 試驗材料與方法

試驗原材料采用熱軋退火態(tài)45鋼棒材,直徑為φ50 mm,其化學成分見表1。45鋼的常規(guī)熱處理工藝為淬火+高溫回火[15],為了對比不同處理工序的影響,分別在淬火后回火前和淬、回火后增加深冷處理。具體的熱處理工藝見表2。

表1 45鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)

表2 熱處理工藝

熱處理后進行拉伸性能和沖擊韌性檢測。室溫拉伸試驗參照標準GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》,拉伸試樣尺寸如圖1(a)所示;室溫沖擊試驗參照標準GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》,U型缺口沖擊試樣尺寸如圖1(b)所示,每種工藝分別檢測三個試樣。

圖1 (a)拉伸試樣和(b)U型缺口沖擊試樣尺寸圖

尺寸穩(wěn)定性檢測采用中國科學院理化技術(shù)研究所提出的圓環(huán)三角法進行評價[16],圓環(huán)三角試樣尺寸如圖2所示。該試件具有壁薄、形狀不規(guī)則、截面變化大等特點,熱處理后試樣不同位置殘余應(yīng)力分布不均勻,沿三角形底邊切開后,殘余應(yīng)力釋放將導致試樣尺寸發(fā)生變化,通過θ角度及試樣兩側(cè)面平行度開口前后的變化來評價試樣的尺寸穩(wěn)定性。

圖2 圓環(huán)三角試樣尺寸圖

采用盲孔按照標準ASTM E837—2013對殘余應(yīng)力進行檢測[17],殘余應(yīng)力檢測試樣尺寸為40 mm×40 mm×20 mm(長×寬×高)。采用RS200高速渦輪鉆孔設(shè)備進行鉆孔,采用BE(BA)120-2CD應(yīng)變花測量鉆孔后引起的應(yīng)變,通過應(yīng)變計算殘余應(yīng)力。采用SHBRV-187.5型數(shù)顯布洛維硬度計檢測試樣硬度,每個試樣檢測四次,取平均值。金相試樣經(jīng)150#、400#、400#、800#、1000#和1500#砂紙逐級打磨后,再用金剛石拋光膏進行拋光并用酒精清洗表面,然后采用4%HNO3+96%C2H5OH酒精的腐蝕液進行表面侵蝕,侵蝕時間為4 s,采用日立S4300掃描電子顯微鏡進行微觀組織觀察。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 深冷處理對45鋼力學性能的影響

熱處理后45鋼的硬度檢測結(jié)果見表3。由表3可知,經(jīng)不同熱處理工藝后,試樣的硬度變化較小,增加深冷處理后硬度略有提升。

表3 45鋼的顯微硬度

熱處理后45鋼的拉伸性能和沖擊韌性檢測結(jié)果見表4。由表4可知,淬火+深冷處理+回火工藝(QCT)對45鋼的抗拉強度和屈服強度有一定的改善,與淬火+回火工藝(QT)相比,抗拉強度和屈服強度分別提高了33 MPa和65.3 MPa。淬火+回火+深冷處理工藝(QTC)對抗拉強度影響不明顯,但屈服強度和沖擊韌性略有降低。不同工藝對45鋼的塑性影響不明顯。因此,總體來看淬火+深冷處理+回火工藝對45鋼的力學性能有一定的改善效果。

表4 45鋼的力學性能

盡管45鋼淬透性較差,由于本實驗中拉伸試樣尺寸較小能夠完全淬透,淬火后殘余奧氏體含量較少,因此,深冷處理促進殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的效果并不明顯。然而,對比淬火態(tài)和淬火+深冷態(tài)兩種試樣的殘余應(yīng)力檢測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)淬火后45鋼表面殘余應(yīng)力最高達到-310 MPa;增加深冷處理后能夠使表面壓應(yīng)力進一步增加,達到-470 MPa左右,如圖3所示。因此,深冷處理不僅能促進殘余奧氏體轉(zhuǎn)變,還能增加材料的表面壓應(yīng)力。

圖3 45鋼淬火態(tài)(a)和淬火+深冷態(tài)(b)的表面殘余應(yīng)力

2.2 深冷處理對45鋼尺寸穩(wěn)定性的影響

采用圓環(huán)三角法對試樣的尺寸穩(wěn)定性進行評價,測量圓環(huán)三角開口前后角度的變化見表5。開口角度變化越大,說明試樣初始殘余應(yīng)力較高,開口后殘余應(yīng)力釋放引起的角度越大。由表5可知,淬火態(tài)(Q)試樣開口后角度減小,且角度變化量相對較大。淬火過程中快速冷卻必然會在試樣內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力,通常表面呈壓應(yīng)力,心部呈拉應(yīng)力分布;此外,淬火過程中發(fā)生了奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,由于兩種相比體積的差異,會在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力,從而導致試樣淬火后具有較高的殘余應(yīng)力水平。淬火后增加深冷處理(QC)改變了試樣的殘余應(yīng)力分布,通常會使表面壓應(yīng)力增加,故而開口后角度明顯增大。然而,高溫回火過程中45鋼發(fā)生了馬氏體的分解和內(nèi)應(yīng)力的釋放,試樣整體處于無應(yīng)力狀態(tài)。因此,進行高溫回火處理后試樣的開口角度變化較小;但增加深冷處理會使開口角度變化量略有增加,由于淬、回火后進行深冷處理會增加試樣的表面壓應(yīng)力。

表5 45鋼圓環(huán)三角開口角度變化

2.3 深冷處理對45鋼微觀組織的影響

圖4為不同工藝處理后45鋼的微觀組織。由圖4可知,淬火+回火處理后,試樣的組織為典型的回火索氏體,淬火馬氏體在高溫回火過程中分解為鐵素體和滲碳體,見圖4(a)和4(d)。淬火+深冷處理+回火處理后,試樣組織更細,馬氏體板條更加清晰和細化,彌散分布的細小碳化物顆粒明顯增加,見圖4(b)和4(e)。淬火后進行深冷處理為材料相變進一步提供了驅(qū)動力,少量的殘余奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,低溫下產(chǎn)生的馬氏體通常為細小的孿晶馬氏體,在一定程度上起到了細化晶粒的作用。此外,從殘余應(yīng)力檢測結(jié)果可知,淬火后增加深冷處理提高了45鋼的表面壓應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力的增加提高了回火過程中碳原子擴散驅(qū)動力,從而能夠進一步促使碳化物顆粒的析出。而淬火+回火處理后,45鋼的組織相對較為穩(wěn)定,增加深冷處理后金相組織無變化,見圖4(c)和4(f)。

(a,d) 淬火+回火;(b,e) 淬火+深冷處理+回火;(c,f) 淬火+回火+深冷處理

3 結(jié)論

1)淬火+深冷處理+回火可提高45鋼的抗拉強度和屈服強度,分別提高了33 MPa和65.3 MPa,對延伸率和沖擊韌性影響不明顯;淬火+回火+深冷處理后,45鋼的屈服強度略有降低,對抗拉強度、延伸率和沖擊韌性影響不明顯。

2)圓環(huán)三角法能夠有效評價45鋼經(jīng)不同熱處理工藝的尺寸穩(wěn)定性,淬火后試樣殘余應(yīng)力較高,開口角度變化最大;淬火后深冷處理在試樣表面增加了壓應(yīng)力,圓環(huán)開口后角度變化方向與淬火態(tài)相反,變化量相對較大;回火后所有試樣開口角度顯著減小。

3)淬火+深冷處理+回火可促使45鋼的馬氏體板條細化和碳化物顆粒析出增加;而淬、回火后增加深冷處理對45鋼的金相組織影響不明顯。