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        奧氏體化溫度對合金工具鋼組織和扭轉(zhuǎn)性能的影響

        2021-12-02 10:48:22余子權(quán)
        上海金屬 2021年6期

        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鋼抗扭強度提高,但扭轉(zhuǎn)角減小、塑性降低。趙亮等[3]認為,40Cr鋼的扭轉(zhuǎn)性能與組織狀態(tài)有關(guān),晶粒越細,其塑性和抗扭強度越好。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)拉伸強化可提高其扭轉(zhuǎn)屈服強度,但對抗扭強度影響較小。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)細化貝氏體組織可提高材料的抗扭強度。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)量分數(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數(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微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機檢測扭轉(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)剪切屈服強度τs和抗扭強度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)剪切屈服強度τs和抗扭強度τb如表3所示。

        由表3可知,試驗鋼的抗扭強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,提高強度,晶粒粗大則導(dǎo)致強度下降。因此,隨著奧氏體化溫度的升高,鋼的抗扭強度先提高后降低,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,提高強度的作用不大,但晶粒顯著長大,導(dǎo)致強度降低[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,抗扭強度先提高后降低,880 ℃奧氏體化的鋼抗扭強度最高,為1 847 MPa,960 ℃奧氏體化的鋼抗扭強度降低至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°。

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