張 錚， 陳進(jìn)磊， 張 敏， 喬珺威

(1. 太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2. 太原重工股份有限公司齒輪傳動(dòng)分公司， 山西 太原 030024)

隨著我國汽車和家電制造業(yè)發(fā)展，大截面塑料模具鋼的需求大幅提高，近年來國內(nèi)科研人員自主研發(fā)了系列新型貝氏體塑料模具鋼來滿足市場(chǎng)需求[1-5]，相比該應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)鋼種DIN1.2738，貝氏體鋼種合金設(shè)計(jì)中去掉了高成本元素Ni，采用短流程的控鍛控冷工藝得到貝氏體組織，生產(chǎn)周期大幅縮短，這些特點(diǎn)賦予了該鋼種巨大的市場(chǎng)競爭力[4-5]。

但短流程工藝決定了模塊最終組織不能通過正火或調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行改善，因而鍛造溫度范圍內(nèi)的熱變形和過冷奧氏體貝氏體相變的精確控制將決定模塊的最終質(zhì)量[5]。目前國內(nèi)外關(guān)于熱變形對(duì)貝氏體相變的影響還沒有公認(rèn)的一致解釋。洪斌等[6]分析了不同變形量及冷卻工藝條件下P20鋼的相變，發(fā)現(xiàn)變形使奧氏體內(nèi)部位錯(cuò)密度增加，為鐵素體提供了更多形核點(diǎn)和相變驅(qū)動(dòng)力，在較快冷卻速率下，變形帶和亞結(jié)構(gòu)阻礙貝氏體板條生長；Zhang等[7]研究表明，奧氏體變形使晶界成核點(diǎn)密度增加，加快了貝氏體的轉(zhuǎn)化速度，貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs提高了15～30 ℃；劉東升等[8]對(duì)P20鋼的研究發(fā)現(xiàn)，變形奧氏體具有較好的穩(wěn)定性，使貝氏體相變推遲到較低溫度，促進(jìn)組織粒狀化。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)在熱軋溫度區(qū)間的熱拉伸和熱壓縮對(duì)隨后的等溫貝氏體轉(zhuǎn)變起相反的作用，應(yīng)變速率對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變也有影響?？梢姴煌脑囼?yàn)條件會(huì)導(dǎo)致不同的研究結(jié)論。此外該領(lǐng)域現(xiàn)有研究采用的應(yīng)變速率和連續(xù)冷卻速率主要針對(duì)軋制和小截面鍛件的生產(chǎn)[10-11]，而大型塑料模具鋼模塊鍛造生產(chǎn)特點(diǎn)決定了變形速率和冷卻速率遠(yuǎn)低于軋制生產(chǎn)，相關(guān)研究較少[1,5,9]；同時(shí)由于大型模塊成本高，解剖成品模塊以研究組織的成果也很少[1]?；诖?，本文根據(jù)SDFT600塑料模具鋼的實(shí)際生產(chǎn)工藝選擇試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)和靜態(tài)連續(xù)冷卻相變(CCT)試驗(yàn)，對(duì)比分析熱變形對(duì)該鋼種過冷奧氏體連續(xù)冷卻貝氏體相變的影響，以期為大模塊生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

SDFT600鋼的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.28C、1.44Mn、0.49Si、0.46Mo、1.4Cr和適量微合金元素。試驗(yàn)鋼取自供貨態(tài)規(guī)格660 mm×1210 mm×2700 mm的成品模塊。動(dòng)態(tài)CCT試驗(yàn)采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)將試樣以10 ℃/s速度加熱到1200 ℃，保溫180 s均勻奧氏體化，壓縮并同步降溫至1050 ℃，壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，壓縮時(shí)間375 s，應(yīng)變速率為0.0009 s-1；變形結(jié)束后，保溫20 s以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，然后分別以0.05﹑0.08﹑0.1 和0.5 ℃/s的速度連續(xù)冷卻至室溫；靜態(tài)CCT試驗(yàn)采用DIL805熱膨脹儀，參數(shù)完全依據(jù)動(dòng)態(tài)CCT制定，試樣直徑φ4 mm，長度10 mm，以10 ℃/s的速度加熱到1200 ℃，保溫180 s，隨后以0.4 ℃/s(根據(jù)動(dòng)態(tài)CCT熱壓縮時(shí)間確定)冷至1050 ℃，保溫20 s后以不同速率連續(xù)冷卻至室溫，具體工藝見圖1。本試驗(yàn)中的應(yīng)變速率0.0009 s-1由成品模塊實(shí)際生產(chǎn)鐓粗工藝換算得到；變形溫度區(qū)間系考慮大模塊鍛造生產(chǎn)溫度范圍1200～850 ℃，而大型鋼錠或半成品模塊外表面降至終鍛溫度時(shí)心部溫度多還保持在1050 ℃左右；壓縮應(yīng)變參考大模塊鍛造生產(chǎn)鐓粗和拔長壓下量制定。

圖1 CCT試驗(yàn)方案

殘留奧氏體(殘奧)體積分?jǐn)?shù)、顯微組織和顯微硬度(10點(diǎn)取平均值)均在試樣心部區(qū)域測(cè)定。顯微組織采用尼康LV150型顯微鏡和Zeiss Supra 40型掃描電鏡觀察。黑白金相腐蝕采用4%硝酸酒精，彩色金相采用Na2S2O5水溶液和苦味酸酒精混合溶液腐蝕。采用X-350A型X射線應(yīng)力儀測(cè)定各試樣殘奧含量，測(cè)量10次取平均值。使用MH-3型維式硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，載荷砝碼0.5 kg，保荷時(shí)間15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2是0.5 ℃/s冷速下動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCT試樣的晶粒形貌。由圖2(a)可以看到，動(dòng)態(tài)CCT試樣出現(xiàn)了混晶現(xiàn)象，不同視場(chǎng)計(jì)算平均晶粒度為5.5級(jí)；圖2(b)所示靜態(tài)CCT試樣晶粒較均勻，平均晶粒度3.5級(jí)。熱變形帶來的再結(jié)晶作用起到了細(xì)化晶粒的效果，注意到圖2(a)中顯示部分不規(guī)則晶界，對(duì)應(yīng)不完全再結(jié)晶晶粒，這就意味著熱變形帶來的加工硬化效果并沒有完全消除，這些變形引起的缺陷有可能在過冷奧氏體相變中起到作用。圖2中多見貫穿晶粒的黑色貝氏體板條束組織。

圖2 0.5 ℃/s 冷速下CCT試樣的晶粒形貌

圖3為動(dòng)態(tài)CCT試樣的掃描電鏡組織。圖3(a, b)為0.5 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)的低倍和高倍放大組織，顏色較淺的基體組織主要為上貝氏體，貝氏體板條束分隔區(qū)域呈現(xiàn)灰黑色的為馬氏體；由圖3(a)可以看到，上貝氏體板條發(fā)達(dá)，部分板條貫穿了原奧氏體晶粒。圖3(c, d)為0.1 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)的粒狀貝氏體和下貝氏體組織，下貝氏體分布在半連續(xù)的馬氏體/奧氏體島狀組織(馬奧島)之間的區(qū)域，這種分布特點(diǎn)反映兩種組織形成的先后順序，在中溫區(qū)首先形成粒狀貝氏體，隨著溫度的降低，下貝氏體由晶粒中未轉(zhuǎn)變的奧氏體形成；這里粒狀貝氏體形貌與上貝氏體有一定程度的相似，體現(xiàn)在馬奧島的構(gòu)成并不是完全無規(guī)則，而是呈現(xiàn)出特定的位向性，這與熱變形引起的奧氏體變形帶和亞結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]。圖3(e, f)為0.08 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)組織，該冷速下已經(jīng)出現(xiàn)沿晶界析出的先共析鐵素體，圖3(e)晶界鐵素體右側(cè)粒狀貝氏體組織具有明顯位向性，而晶界左側(cè)粒狀貝氏體中馬奧島分布無明顯擇優(yōu)取向。圖3(g, h)為0.05 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)組織，注意到該冷速下粒狀貝氏體為主要構(gòu)成組織，馬奧島之間有少量碳化物析出，需要說明的是雖然文中未配圖顯示，但掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)該冷速下存在少量分布在晶界的先共析鐵素體。

圖3 不同冷卻速率下動(dòng)態(tài)CCT試樣的顯微組織

圖4為不同冷速下靜態(tài)CCT試樣的SEM照片，圖4(a, b) 為0.5 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)的組織，基體組織與動(dòng)態(tài)CCT試樣在該冷速下的組織類似，主要為上貝氏體和位于板條束間的馬氏體組織；注意到圖4(a, b)中灰黑色組織較圖3(a, b)多，0.5 ℃/s冷速下靜態(tài)CCT試樣較多的馬氏體會(huì)引起硬度增大，這一結(jié)果與下文的硬度測(cè)試結(jié)果一致；同時(shí)注意到圖3(a)和圖4(a) 都存在貫穿晶粒的上貝氏體板條束，可以借此分辨出該冷速下兩種CCT試樣晶粒度的較大差異，符合圖2反映的規(guī)律。圖4(c，d)為0.05 ℃/s冷速對(duì)應(yīng)組織，圖4(c)顯示該冷速下也出現(xiàn)了沿晶界析出的先共析鐵素體，基體由馬奧島和貝氏體鐵素體構(gòu)成的粒狀貝氏體及下貝氏體組成。圖4(d)中顯示了粒狀貝氏體組織間隙分布的典型下貝氏體。靜態(tài)CCT試樣各冷速下的粒狀貝氏體、馬奧島均未出現(xiàn)圖3中體現(xiàn)的明顯位向特征。

圖4 不同冷卻速率下靜態(tài)CCT試樣的顯微組織

圖5(a, b)分別為動(dòng)態(tài)CCT和靜態(tài)CCT膨脹曲線，應(yīng)用切線法由400～600 ℃之間曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可得到貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs，如圖6所示。值得注意的是圖5(a)中右側(cè)橢圓框線內(nèi)，動(dòng)態(tài)CCT曲線所有冷速下貝氏體開始轉(zhuǎn)變位置呈現(xiàn)逐步轉(zhuǎn)變規(guī)律，即各冷速對(duì)應(yīng)膨脹曲線隨溫度降低斜率變化較慢，而圖5(b)靜態(tài)CCT膨脹曲線對(duì)應(yīng)位置的曲線斜率變化較快；這一差異說明經(jīng)過熱變形的過冷奧氏體部分區(qū)域保留了變形產(chǎn)生的有利形核條件，相變驅(qū)動(dòng)力較大，故在較高溫度即開始貝氏體轉(zhuǎn)變。圖5中對(duì)應(yīng)0.5 ℃/s的曲線相變區(qū)域與其他3條慢冷速曲線不同，兩種條件下貝氏體轉(zhuǎn)變后的200～350 ℃都存在明顯的曲線斜率變化(圖5(a)左側(cè)框線位置及圖5(b)對(duì)應(yīng)位置)，根據(jù)相變溫度及圖3和圖4金相特征可推斷這一變化為體積含量較大的馬氏體轉(zhuǎn)變，兩種條件下其他慢冷速曲線上沒有體現(xiàn)明顯的馬氏體轉(zhuǎn)變。需要說明的是圖5 中各冷速下，熱膨脹曲線上沒有反映出先共析鐵素體相變，但圖3和圖4顯微組織中均觀察到先共析鐵素體，說明兩種條件下該相析出量較少，未在曲線上形成明顯的轉(zhuǎn)折區(qū)域，因而后續(xù)研究中也未考慮變形對(duì)先共析鐵素體的影響，以及先共析鐵素體對(duì)貝氏體相變的影響。

圖5 熱膨脹曲線

圖6為由切線法得到的各冷速下貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，隨著連續(xù)冷卻速率的降低，動(dòng)態(tài)CCT曲線的Bs溫度接近，而靜態(tài)CCT曲線的Bs溫度升高。相同冷速下，動(dòng)態(tài)CCT試樣Bs溫度高于靜態(tài)CCT試樣，0.5 ℃/s時(shí)兩者差值達(dá)到96 ℃。從熱力學(xué)角度說明熱變形降低了貝氏體形核的過冷度要求，促進(jìn)貝氏體的形核。

圖6 不同冷速下試樣的貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Bs

為分析相組成與熱變形的關(guān)系，對(duì)各試樣進(jìn)行了殘奧測(cè)定，結(jié)果見表1，隨冷速降低，動(dòng)態(tài)CCT試樣中殘奧逐漸增加，總量接近；靜態(tài)CCT試樣中殘奧含量隨著冷速降低而增加，在0.05 ℃/s時(shí)達(dá)到了28.0%，較同冷速下動(dòng)態(tài)CCT試樣高出13.6%。如果忽略少量先共析鐵素體的影響，圖3(a, b)和圖4(a, b)中金相觀察顯示，0.5 ℃/s冷速下動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCT試樣組織由馬氏體和上貝氏體構(gòu)成，雖然動(dòng)態(tài)CCT試樣殘奧含量稍高于靜態(tài)CCT試樣，但靜態(tài)CCT試樣含有更多的馬氏體組織，所以動(dòng)態(tài)CCT試樣室溫組織中貝氏體含量應(yīng)當(dāng)較高；0.1～0.05 ℃/s冷速區(qū)間，兩種條件下試樣組織主要為粒狀貝氏體和下貝氏體，而靜態(tài)CCT試樣殘奧含量均較高，綜合上述結(jié)果推斷熱變形降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在較快的0.5 ℃/s條件下，靜態(tài)CCT試樣中較多過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，隨著冷速降低，因未變形奧氏體的穩(wěn)定性高于經(jīng)過熱變形的奧氏體，故兩者殘奧量差值逐步增大。變形導(dǎo)致過冷奧氏體穩(wěn)定性降低由奧氏體中碳含量降低決定，關(guān)于這一現(xiàn)象已有研究發(fā)現(xiàn)相同規(guī)律[12-13]，熱變形產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)區(qū)域或其他晶格缺陷吸引碳原子偏聚，降低了變形奧氏體中碳原子擴(kuò)散能力，導(dǎo)致變形奧氏體的容碳能力降低。大量的殘奧將增加回火工藝的難度和模塊開裂風(fēng)險(xiǎn)，不利于保證成品大模塊的硬度均勻性。

表1 不同冷速下試樣中的殘留奧氏體含量 (體積分?jǐn)?shù)，%)

為了進(jìn)一步分析0.05 ℃/s冷速下殘奧量的較大差異，對(duì)兩組試樣進(jìn)行了彩色金相和高倍掃描電鏡觀察。圖7(a, c)對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)CCT試樣，圖7(b, d)為靜態(tài)CCT試樣。圖7(a, b)中棕色島狀組織為馬奧島，白綠色組織是貝氏體鐵素體，動(dòng)態(tài)CCT試樣中馬奧島組織為半連續(xù)分布，靜態(tài)CCT試樣組織具有明顯的板條特征。圖7(c)顯示動(dòng)態(tài)CCT試樣中尺寸大于2 μm的較大馬奧島中部為貝氏體和馬氏體混合組織，由穩(wěn)定性較差的殘奧轉(zhuǎn)變形成，較大馬奧島邊緣以及其右側(cè)較小的馬奧島表面形貌光滑，呈現(xiàn)這一特征區(qū)域一般碳含量較高[14]，對(duì)應(yīng)奧氏體含量也更高，圖7(c)中左下角較大馬奧島也體現(xiàn)了同樣形貌特征；圖7(d)靜態(tài)CCT試樣組織中，較大的馬奧島表面形貌光滑，說明島狀組織中奧氏體含量較高。大量掃描電鏡觀察結(jié)果與上述情況符合，據(jù)此推斷0.05 ℃/s冷速下，雖然低倍組織如圖7(a，b)所示，兩種狀態(tài)下都存在大量的馬奧島，但靜態(tài)CCT試樣馬奧島組織中殘留奧氏體含量較高，尤其是尺寸在2 μm以上的較大馬奧島組織穩(wěn)定性高于動(dòng)態(tài)CCT試樣相應(yīng)組織，印證了前述熱變形降低奧氏體穩(wěn)定性的推論。

圖7 0.05 ℃/s冷速下動(dòng)態(tài)CCT(a,c)及靜態(tài)CCT(b,d)試樣的顯微組織

如圖8所示，隨冷速的減小，兩種條件下CCT試樣的硬度逐漸降低，在0.1、0.08和0.05 ℃/s冷速下硬度接近；0.5 ℃/s冷速下，靜態(tài)CCT試樣的平均顯微硬度為534 HV0.5，遠(yuǎn)高于動(dòng)態(tài)CCT試樣(425 HV0.5)，考慮到圖2顯示動(dòng)態(tài)CCT試樣晶粒度高于靜態(tài)CCT試樣，結(jié)合圖3和圖4金相可知，雖然該冷速下兩種CCT試樣組織均為馬氏體和上貝氏體混合組織，動(dòng)態(tài)CCT試樣中馬氏體含量小于靜態(tài)CCT試樣，顯然細(xì)晶強(qiáng)化帶來的硬度增量小于馬氏體相的強(qiáng)化效果，導(dǎo)致靜態(tài)CCT試樣的硬度較高，這間接證明了該冷速下低硬度的動(dòng)態(tài)CCT試樣中硬度較低的貝氏體含量更高。從產(chǎn)品應(yīng)用角度，冷速降低對(duì)應(yīng)模塊由表面至心部的冷卻規(guī)律，較小的硬度波動(dòng)區(qū)間也有利于回火調(diào)整硬度均勻性。

圖8 不同冷卻速率下試樣的硬度

奧氏體熱變形對(duì)貝氏體相變的影響很復(fù)雜，如前所述不同研究者在不同的試驗(yàn)條件下常常得出不同的研究結(jié)果。本研究在適用于鍛造模塊的試驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)奧氏體熱變形促進(jìn)隨后連續(xù)冷卻過程中的貝氏體相變。前人研究表明貝氏體轉(zhuǎn)變的形核階段伴隨碳的擴(kuò)散以及碳化物的形成，而高溫變形中的加工硬化增加了組織中的位錯(cuò)和其他晶體缺陷密度，因而增加了碳偏聚的可能性，在再結(jié)晶作用未能完全消除這些偏聚和缺陷的情況下，碳的不平衡分布和碳化物形核位置的增多，將直接影響貝氏體的形核和長大；同時(shí)熱變形帶來的缺陷降低了奧氏體的容碳能力，導(dǎo)致過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，以上因素共同作用促進(jìn)了貝氏體轉(zhuǎn)變[15]，體現(xiàn)在各冷速下，動(dòng)態(tài)CCT試樣的Bs溫度均較高。而靜態(tài)CCT試樣中不存在變形引入的缺陷，經(jīng)過較長時(shí)間的奧氏體高溫區(qū)停留，組織中各種元素的分布較均勻，過冷奧氏體穩(wěn)定性較高。

3 結(jié)論

1) 在適用于鍛造模塊的試驗(yàn)條件下，即1200～1050 ℃鍛造溫度范圍內(nèi)，30%壓縮應(yīng)變和0.0009 s-1應(yīng)變速率條件下，熱變形促進(jìn)隨后連續(xù)冷卻過程中SDFT600鋼的貝氏體相變。

2) 熱變形會(huì)使貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，促進(jìn)貝氏體形核；相同連續(xù)冷卻條件下，動(dòng)態(tài)CCT試樣貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度高于靜態(tài)CCT試樣，0.5 ℃/s時(shí)兩者差值達(dá)到96 ℃，0.05 ℃/s時(shí)差值為32 ℃。

3) 熱變形會(huì)降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性；連續(xù)冷卻速率小于0.1 ℃/s時(shí)，動(dòng)態(tài)CCT試樣殘留奧氏體含量低于靜態(tài)CCT試樣。