鄭立允，甄凌雪

(河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲056038)

低碳鋼的完全淬火是在完全奧氏體化以上50～70℃進(jìn)行，保溫一段時(shí)間后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到的最終組織為馬氏體。淬火的主要目的是使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后為了減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼在不同溫度下進(jìn)行了高溫回火。本文主要針對(duì)130ksi鋼級(jí)的射孔槍管用鋼，采用Cr－Mo系低碳低合金鋼為實(shí)驗(yàn)用鋼，在確定了實(shí)驗(yàn)鋼的成分之后對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行研究。在常規(guī)調(diào)質(zhì)處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變工藝參數(shù)對(duì)該射孔槍管用鋼的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，能夠滿(mǎn)足使用要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的是Cr－Mo系列的鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，其具體成分及其所占的百分比如下:0.26%C、0.20%Si、0.9%Mn、0.01%P、0.005%S、0.1%Ni、0.95%Cr、0.42%Mo、0.02%Al，其余成分為 Fe和一些必要雜質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)環(huán)形爐加熱→穿孔→軋制→減徑→矯直等軋制工藝加工后，進(jìn)行熱處理及組織結(jié)構(gòu)和性能表征。

沖擊試樣按照GB/T 299－1994加工，由于鋼管壁厚較小加工成的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為:55 mm×10 mm×7.5 mm(夏比沖擊試驗(yàn) V型缺口)，用 NIS00C型擺錘式儀器化動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定沖擊韌性。拉伸試樣按照GBT228－2002加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣，其中壁厚為10 mm，在萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。以上實(shí)驗(yàn)的每個(gè)工藝為5個(gè)試樣測(cè)試后的平均值。

金相試樣是用鋸床將鋼管鋸成鋼條再用金相試樣切割機(jī)切割成30 mm×20 mm×10 mm的小塊，依次經(jīng)過(guò)由粗到細(xì)金相砂紙磨樣、拋光后采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕7 s－10 s。測(cè)定晶粒度的試樣采用飽和苦味酸溶液(1 g苦味酸+5 ml鹽酸+100 ml酒精)腐蝕10 s－12 s。利用4XCMS型光學(xué)顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織進(jìn)行觀察，用ZEISS EV018型掃描電鏡對(duì)其精細(xì)組織進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用HENVEN－HJ型差熱分析儀測(cè)定鋼的奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度和完全奧氏體化溫度，具體測(cè)定過(guò)程如下:設(shè)置兩個(gè)升溫階段，第一個(gè)階段終止溫度設(shè)為700℃，升溫速率為10℃/min;第二階段終止溫度為1 050℃，升溫速率為5℃/min。通入的保護(hù)氣體為氮?dú)?，氣體流入量為15 ml/min。經(jīng)測(cè)定該鋼的臨界溫度為:Ac1=765.3℃，Ac3=859.6℃。

完全淬火溫度分別為:880℃、900℃、920℃、940℃、960℃，保溫時(shí)間分別為40min和70min，冷卻介質(zhì)為水。在最佳淬火溫度下進(jìn)行淬火然后進(jìn)行 520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃，保溫時(shí)間為80min的回火處理，冷卻介質(zhì)為空氣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同淬火溫度的影響

不同溫度下進(jìn)行完全淬火后試樣的微觀組織照片如圖1所示。完全淬火，可以使原來(lái)的自由鐵素體能完全融入奧氏體中，最終獲得馬氏體組織。比較圖1中的不同溫度下完全淬火試樣的金相組織，可以看出，組織均比較細(xì)小，都是由板條馬氏體、殘留奧氏體和少量分布的未溶碳化物組成。在相同的保溫時(shí)間下，隨著淬火加熱溫度的升高，組織狀態(tài)有了明顯的粗化，板條長(zhǎng)度變長(zhǎng)，寬度也增大。剩余碳化物量減少，由圖1中也可以清楚地看到a、b、c中碳化物量越來(lái)越少，d和e中碳化物含量極少，因?yàn)殡S著淬火溫度的升高，碳化物的融入量越來(lái)越大。

表1 給出了保溫40min時(shí)，不同淬火溫度下鋼的平均晶粒尺寸和硬度的測(cè)試結(jié)果。由表1可知，隨亞溫淬火溫度的升高，晶粒的平均截距呈增大趨勢(shì)，由8.5μm 增大到 11.4μm。同時(shí)，隨著淬火溫度的升高，試樣的硬度先增大后減小。分析原因是，在900℃以前淬火，淬火加熱溫度不足，會(huì)使硬度隨淬火溫度的升高而增大。但高于900℃以后淬火時(shí)，硬度隨淬火溫度的升高而減小，則是因?yàn)榇藭r(shí)合金元素的碳、氮化物已得到了充分溶解，不能再阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，與此同時(shí)，淬火后殘余奧氏體的量也逐漸增多，也會(huì)導(dǎo)致硬度的減小。所以試樣硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

表1 淬火后的晶粒度和硬度(保溫時(shí)間為40min)Tab.1 Grain size and hardness after quenching(holding for 40min)

2.2 淬火時(shí)不同保溫時(shí)間的影響

不同保溫時(shí)間下進(jìn)行亞溫淬火后試樣的微觀組織照片如圖2所示。

比較圖1和圖2，相同的淬火溫度下比較不同保溫時(shí)間的淬火試樣的金相組織，可以發(fā)現(xiàn)隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)淬火后組織變化并不明顯。表2為保溫70 min時(shí)晶粒大小隨淬火溫度變化情況，對(duì)比表1和表2，可以發(fā)現(xiàn)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間后晶粒和硬度的變化趨勢(shì)與未延長(zhǎng)時(shí)相同，晶粒稍微有所長(zhǎng)大，硬度降低程度也不明顯，說(shuō)明保溫時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)晶粒的大小和硬度的影響并不明顯。從而可以得出結(jié)論對(duì)淬火后組織影響較大的是淬火溫度，而淬火保溫時(shí)間基本無(wú)影響。

表2 淬火后的晶粒度和硬度(保溫時(shí)間為70min)Tab.2 Grain size and hardness after quenching(holding for 70min)

2.3 不同回火溫度對(duì)組織和性能的影響

表3 900℃ ×40min淬火和不同溫度回火后的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of the steel tempering at different temperatures

根據(jù)組織、硬度和晶粒度的測(cè)定結(jié)果選取最佳的完全淬火溫度為900℃，保溫40 min。在此淬火工藝下進(jìn)行 520℃、540℃、560℃、580℃、600℃、620℃回火處理。鋼淬火后得到的組織為馬氏體和殘余奧氏體，都是非平衡組織，它們?cè)诨鼗疬^(guò)程中都會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。在回火過(guò)程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變過(guò)程為:當(dāng)回火溫度在80～250℃之間時(shí)馬氏體開(kāi)始分解，馬氏體中的碳原子偏聚在位錯(cuò)線附近的間隙位置;溫度繼續(xù)升高到300℃，這期間殘余奧氏體會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變;在溫度升高到400℃的過(guò)程中馬氏體中的碳原子會(huì)全部析出，從而在馬氏體內(nèi)或晶界上形成滲碳體與此同時(shí)α相依然保持板條形貌;溫度繼續(xù)升高就會(huì)發(fā)生α相的回復(fù)、再結(jié)晶和滲碳體的集聚和球化。

圖3給出了900℃淬火、520～620℃回火試樣的金相組織照片。觀察實(shí)驗(yàn)鋼回火后的金相組織可以發(fā)現(xiàn)最終形成的組織為細(xì)粒狀滲碳體和等軸狀鐵素體所構(gòu)成的回火索氏體。S回依然保持著原來(lái)馬氏體的位相。

完全淬火后的綜合力學(xué)性能如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨回火溫度的升高，實(shí)驗(yàn)鋼的硬度和強(qiáng)度逐漸降低，斷面收縮率和沖擊逐漸增大。這是因?yàn)殡S著回火溫度的升高，碳化物會(huì)球化和長(zhǎng)大，同時(shí)α相也發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶形成了S回。所加入的合金元素Mo與碳親和力較強(qiáng)，從而使合金滲碳體的溶解減慢，同時(shí)Mo還可以有效抑制滲碳體在450－600℃下的聚集長(zhǎng)大。綜合考慮最終選擇560℃為最佳回火溫度。

圖4為完成沖擊試驗(yàn)后，用掃描電鏡觀察的斷口形貌。

由掃描電鏡觀察沖擊后斷口的微觀形貌可以看出在所選溫度中回火后沖擊斷裂都是韌性斷裂，因?yàn)榻饘夙g性斷裂最主要的微觀形貌特征就是韌窩。韌窩的形成是由于材料內(nèi)部分離形成空洞，在滑移的作用下空洞逐漸長(zhǎng)大并和其他空洞連接在一起就形成了韌窩斷口。觀察沖擊斷口的微觀形貌可以清晰的看見(jiàn)韌窩為剪切韌窩，試樣的斷口形貌都以準(zhǔn)解理為主要特征且韌窩中有第二相粒子分布。隨回火溫度的增高，韌窩的面積有逐漸增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定最優(yōu)的熱處理工藝為:淬火900℃保溫40 min回火560℃保溫80 min。此時(shí)獲得的綜合力學(xué)性能最好，屈服強(qiáng)度為927 MPa，橫向沖擊功為74.5J，晶粒度為10級(jí)。符合射孔槍管在使用中所需要的性能。

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