鄧素懷 馬 躍 張慧峰 呂迺冰

(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043)

高碳鉻鋼是過(guò)共析珠光體鋼，因?yàn)槠溆捕雀?、耐磨性好，廣泛應(yīng)用于軸承、模具及釬具等領(lǐng)域。軸承是一種重要的機(jī)械零件，要求具有良好的疲勞壽命，因此其材質(zhì)必須具有高的純凈度。隨著汽車(chē)材料輕量化技術(shù)的發(fā)展，減輕作為汽車(chē)傳動(dòng)件的軸承的重量也受到了關(guān)注[1- 2]。材料減重的手段之一是添加一定量的鋁等輕金屬元素[3- 4]。鋼中添加的鋁除了本身的合金化作用，如代替硅起固溶強(qiáng)化作用外，其低的原子量可降低鋼的密度。高碳鉻鋼常用的熱處理工藝為預(yù)備熱處理—退火(球化退火)和最終熱處理—淬火、低溫回火，因此研究添加了鋁元素的高碳鉻鋼經(jīng)常規(guī)工藝熱處理后的組織和力學(xué)性能，為確定含鋁高碳鋼的合適的熱處理工藝提供參考就顯得十分必要。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用鋼采用50 kg真空感應(yīng)爐冶煉，澆注成50 kg鑄錠。將鋼錠去除冒口，在實(shí)驗(yàn)室550軋機(jī)上軋制成15 mm厚的鋼板，終軋溫度為900 ℃，軋后空冷。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。其中1號(hào)鋼為添加4 %Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的高碳鉻鋼，2號(hào)鋼為不含鋁的高碳鉻鋼。

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction) %

采用DIL402C型熱膨脹儀測(cè)定試驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)，升溫和降溫速度為3 ℃/min，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)測(cè)得的相變點(diǎn)及熱處理手冊(cè)[5]中的規(guī)范確定鋼的熱處理工藝。1號(hào)鋼的球化退火工藝為：隨爐加熱到790 ℃保溫1 h，爐冷至720 ℃保溫6 h，爐冷至650 ℃空冷；淬火、回火工藝為：820 ℃油淬，150 ℃回火。2號(hào)鋼的球化退火工藝為：850 ℃保溫2 h，爐冷至700 ℃保溫5 h，爐冷至650 ℃空冷；淬火、回火工藝為：920 ℃油淬，150 ℃回火。試樣經(jīng)過(guò)球化處理后再進(jìn)行淬火、回火。

表2 試驗(yàn)用鋼的相變點(diǎn) Table 2 Transformation temperatures of the tested steels ℃

采用HB- 3000型布氏硬度計(jì)和LM300AT顯微硬度計(jì)測(cè)量經(jīng)不同工藝熱處理后鋼的硬度，維氏硬度試驗(yàn)力為200 g。采用DMI5000型光學(xué)顯微鏡和S- 3400N電子顯微鏡觀察組織形貌，用D8型X射線衍射儀測(cè)量殘留奧氏體量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

試驗(yàn)鋼的球化退火組織如圖1所示，均為片狀珠光體。在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，1號(hào)鋼碳化物多為短棒狀，長(zhǎng)度約1 μm，散布在基體中，在光學(xué)顯微鏡下經(jīng)侵蝕后的鐵素體呈白色針狀；2號(hào)鋼的碳化物多為球狀，直徑小于1 μm，彌散分布在鐵素體基體中，數(shù)量較多。

圖1 (a, b)1號(hào)和(c, d)2號(hào)鋼的球化退火態(tài)組織Fig.1 As- spheroidized microstructures of the steels (a, b) No1 and (c, d) No2

試驗(yàn)鋼的淬火、回火組織如圖2所示，1號(hào)鋼為馬氏體組織，2號(hào)鋼為隱晶馬氏體和彌散分布的碳化物。采用掃描電鏡進(jìn)一步觀察，結(jié)果如圖3所示。1號(hào)鋼為針狀馬氏體組織，沒(méi)有碳化物析出，2號(hào)鋼有大量碳化物。兩者的淬火、回火組織差別較大，而球化組織比較近似。

2.2 硬度

圖2 (a) 1號(hào)和(b)2號(hào)鋼的淬火和回火態(tài)組織Fig.2 Microstructures of the steels (a) No1 and (b) No2 quenched and tempered

圖3 (a)1號(hào)和(b)2號(hào)鋼的淬火和回火態(tài)SEM組織Fig.3 SEM microstructures of the steels (a) No1 and (b) No2 quenched and tempered

經(jīng)不同工藝熱處理的試驗(yàn)鋼的硬度如表3所示。球化退火后，1號(hào)鋼的硬度比2號(hào)鋼約高60 HBW，球化處理并淬火后，1號(hào)鋼的硬度比2號(hào)鋼約低200 HV0.2以上。 球化組織是鐵素體基體與球狀碳化物的混合組織，其硬度決定于基體。1號(hào)鋼中鋁含量高，鋁固溶于鐵素體基體，起固溶強(qiáng)化的作用，因此1號(hào)鋼的球化退火態(tài)硬度較2號(hào)鋼高。

表3 不同熱處理狀態(tài)試驗(yàn)鋼的硬度Table 3 Hardness of the tested steels in different heat treatment conditions

淬火馬氏體的強(qiáng)度除了與碳含量有關(guān)，還與殘留奧氏體含量有關(guān)。試驗(yàn)鋼不同熱處理狀態(tài)的殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)如表4所示。1號(hào)鋼的殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)較高為14.6%，比2號(hào)鋼約高5%；回火后殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)增加了約3%。2號(hào)鋼的殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)較低為9.4%，回火后降低了3%。通常，鋼在淬火后，隨著殘留奧氏體量的增加，其強(qiáng)度和硬度降低[6]，因此1號(hào)鋼的淬火硬度低于2號(hào)鋼。

表4 試驗(yàn)鋼在不同熱處理狀態(tài)的殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)Table 4 Retained austenite volume fraction in the tested steels in different heat treatment conditions %

3 討論

將鋁作為合金元素加入高碳鉻鋼中，一是基于鋁降低鋼的密度的特性，另一方面是基于鋁對(duì)熱處理組織和性能的影響。采用合適的工藝流程可將鋁的多方面作用發(fā)揮出來(lái)。鋼中添加鋁首先是提高相變溫度，如表2所示。1號(hào)鋼的相變溫度比2號(hào)鋼高，如Ac1提高了約60 ℃，同時(shí)兩相區(qū)溫度范圍由20 ℃擴(kuò)大到了100 ℃，將使相應(yīng)的熱處理溫度提高50～100 ℃。

鋁是鐵素體形成元素，在鋼中的作用與硅類(lèi)似，對(duì)鐵素體基體起固溶強(qiáng)化作用。一般說(shuō)，添加1%的合金元素可得到數(shù)十MPa的強(qiáng)度增量[7]，目前對(duì)鋁的固溶強(qiáng)化效果研究還比較少。根據(jù)文獻(xiàn)[7]列舉的鋼中固溶強(qiáng)化效果的增量與固溶原子的大致關(guān)系可以看出，鋁和鎳的強(qiáng)度增量近似，而每1%的鎳在鐵素體中產(chǎn)生的強(qiáng)度增量為33 MPa，據(jù)此可知4%的鋁的固溶強(qiáng)化的強(qiáng)度增量為132 MPa。1號(hào)鋼的球化退火態(tài)硬度增量約60 HBW，根據(jù)硬度與強(qiáng)度換算的線性關(guān)系[8]，相當(dāng)于強(qiáng)度增量為200 MPa，可見(jiàn)按文獻(xiàn)計(jì)算的鋁的固溶強(qiáng)化產(chǎn)生的強(qiáng)度增量與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。球化退火組織是鐵素體基體，因此可以用低碳鋼的固溶關(guān)系來(lái)估算鋁的固溶強(qiáng)化效果。顯然，當(dāng)鋁作為合金元素添加時(shí)，其固溶強(qiáng)化效果不容忽視。

1號(hào)鋼的球化組織的另一個(gè)特點(diǎn)是碳化物數(shù)量明顯減少，形狀也以短棒狀為主。球化退火的機(jī)制是將鋼加熱到兩相區(qū)，獲得不均勻奧氏體和大量細(xì)小的殘留碳化物，作為碳化物形核的非自發(fā)核心，在隨后的等溫過(guò)程發(fā)生碳擴(kuò)散，碳化物逐漸長(zhǎng)大。根據(jù)經(jīng)典固態(tài)相變理論，鋼中存在鋁、碳原子的微區(qū)成分起伏，由于鋁是非碳化物形成元素，在鋁原子富集的微區(qū)將形成“貧碳區(qū)”，在該貧碳區(qū)周?chē)?，碳化物長(zhǎng)大過(guò)程被中斷，從而形成了短棒狀的碳化物形貌。

淬火、回火處理后，1號(hào)鋼的粒狀碳化物完全消失，說(shuō)明在920 ℃奧氏體化溫度下，碳化物回溶到了基體中，而測(cè)得的Ac3為920 ℃，說(shuō)明此時(shí)已接近完全奧氏體化。而2號(hào)鋼碳化物完全回溶則需在900 ℃以上[9]。

淬火及回火后的馬氏體含碳量可以按式(1)計(jì)算[10]：

c0/a0=1+0.046 7p

(1)

式中：c0/a0為馬氏體的正方度，p為馬氏體含碳量。

可見(jiàn)，馬氏體含碳量與正方度成正比關(guān)系，鋁元素會(huì)使點(diǎn)陣常數(shù)增大，使淬火后馬氏體含碳量提高。文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)果也表明，鋁使淬火并于200 ℃回火后的馬氏體含碳量由2.2%增加到4.6%，這也間接說(shuō)明鋁的添加使碳、鉻元素發(fā)生了二次分配，碳化物中的含碳量減少，導(dǎo)致碳化物數(shù)量減少、易于回溶。所以含鋁高碳鉻鋼的淬火溫度的確定不能簡(jiǎn)單地根據(jù)相變點(diǎn)，需通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來(lái)確定合適的淬火溫度，以保留適量的碳化物。

從最終熱處理淬火、回火后的組織和硬度看，1號(hào)鋼球化退火后的高硬度在隨后淬火、回火后沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，淬火硬度反而明顯降低。雖然淬火硬度仍滿足軸承零件的要求，但是添加4 %Al的強(qiáng)化作用還需發(fā)揮出來(lái)以提高耐磨性。同時(shí)1號(hào)鋼殘留奧氏體含量偏高，這是含鋁高碳鉻鋼在應(yīng)用時(shí)面臨的比較普遍的問(wèn)題[1,10]。殘留奧氏體量影響零件的尺寸穩(wěn)定性，通常應(yīng)控制在10 %左右，穩(wěn)定殘留奧氏體也是制定含鋁高碳鉻鋼熱處理工藝時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

由上述討論可以看出，含鋁高碳鉻鋼采用常規(guī)的球化退火和淬火、回火工藝難以達(dá)到已普遍使用的不添加鋁的高碳鉻鋼的熱處理組織和硬度，還需對(duì)有關(guān)熱處理工藝做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

(1)含4%Al的高碳鉻鋼的球化退火組織中碳化物為短棒狀，數(shù)量少；球化退火態(tài)硬度比不含鋁的高碳鉻鋼約高60 HBW。

(2)含4%Al的高碳鉻鋼的淬火、回火組織為馬氏體，淬火、回火后的硬度比不含鋁的鋼約低200 HV，殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)高5%以上。

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收修改稿日期：2017- 07- 12