陳志強(qiáng)， 林銀河， 蒲春雷 ， 田野， 尹國(guó)亮 ， 趙貴州

（1. 中冶華天工程技術(shù)有限公司，南京210019； 2. 攀枝花學(xué)院國(guó)際釩鈦研究院, 四川 攀枝花617000；3. 宜賓學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)部, 四川 宜賓644007）

0 引 言

相較傳統(tǒng)離線(xiàn)熱處理，合金鋼棒材（Φ40～150 mm）在線(xiàn)淬火-回火工藝后，直接省去淬火再加熱，可縮短生產(chǎn)流程，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[1]。 材料學(xué)方面，軋后直接淬火時(shí)加熱溫度較高，合金元素均勻固溶，淬透性高，能更好的挖掘材料潛能。有研究指出[2-3]，與普通熱處理相比，進(jìn)行淬回火熱處理后的材料硬度增幅約10%， 抗拉強(qiáng)度增幅約3%~10%，伸長(zhǎng)率增幅約10%~40%，沖擊韌性增幅約20%~30%，回火抗力好，強(qiáng)化效果可達(dá)600 ℃以上。

棒材在線(xiàn)熱處理主要包括熱軋、 在線(xiàn)淬火和回火[4-5]。 軋前加熱制度，開(kāi)軋溫度，軋制工藝，冷卻參數(shù)，冷卻水溫度，終冷溫度等工藝參數(shù)對(duì)棒材表面回火索氏體，芯部鐵素體+珠光體組織，軋材最終韌性、塑性和焊接性，淬硬層深度有顯著影響。軋材熱應(yīng)力情況及淬火裂紋傾向，是在線(xiàn)淬回火工藝的主要關(guān)注缺陷。

為研究淬回火熱處理工藝，對(duì)低合金鋼棒材溫度演變、相類(lèi)別及組織、力學(xué)性能影響的機(jī)理，選用用途廣泛的典型低合金鋼鋼種45#鋼和40Cr 鋼， 采用熱處理試驗(yàn)、組織性能檢測(cè)、有限元模擬等，進(jìn)行了合金（優(yōu)質(zhì)）鋼棒材（Φ40～150 mm）在線(xiàn)淬火-回火處理研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選取具有代表性的中碳鋼45#鋼、低合金鋼40Cr 鋼為研究對(duì)象，化學(xué)成分如表1 所列。

表1 45# 鋼和 40Cr 鋼成分Table 1 Compositions of 45# and 40Cr steel 單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

試驗(yàn)合金鋼棒材規(guī)格取Φ50 mm×100 mm，淬火介質(zhì)取濃度10% NaCl 溶液。 為獲得試樣表面到芯部冷卻曲線(xiàn)，沿試樣徑向方向鉆出若干個(gè)不等間距、直徑為2.5 mm 小孔，深度為試樣長(zhǎng)度一半，熱電偶分別埋在小孔內(nèi)，記錄溫度變化曲線(xiàn)。 試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig. 1 Experimental devices

淬回火試驗(yàn)中，試樣在如圖1（b）中的加熱和保溫爐中， 以 5 ℃/s 加熱到 900 ℃保溫 60 min 全奧氏體化，在設(shè)計(jì)的水冷裝置下以一定壓力和流量在不同淬火介質(zhì)中冷卻（圖 1（c）），取出試樣進(jìn)行一段時(shí)間回復(fù)后，再快冷到室溫。 對(duì)試樣進(jìn)行硬度和金相組織檢測(cè)，分析時(shí)間-溫度曲線(xiàn)，對(duì)得到的淬回火試驗(yàn)鋼， 制成直徑80 mm 試樣，按GB/T 228.1—2010， 用 QX-W5502 萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)鋼淬火金相組織和臨界冷速

根據(jù) Φ50 mm45# 鋼和 40Cr 鋼在 10% NaCl 溶液中淬火試驗(yàn)，得到了表-芯不同位置處冷卻速度，及硬度分布，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 表面溫度-時(shí)間檢測(cè)曲線(xiàn)和試驗(yàn)鋼淬火時(shí)的冷卻速度及硬度分布Fig. 2 Cooling rate and HRC distribution of steel during quenching

由圖 2（a）和圖 2（b）可見(jiàn)，隨著距淬火層表面厚度增加，45# 鋼和40Cr 鋼的冷卻速度逐漸降低，45# 鋼冷卻速度曲線(xiàn)整體更大，曲線(xiàn)更為陡峭，兩種試驗(yàn)鋼硬度在表-芯不同位置的變化與冷卻速度變化曲線(xiàn)類(lèi)似。

對(duì)應(yīng)的45# 鋼淬火后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由表面到芯部分布的金相組織，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)用45# 鋼淬火后的金相組織Fig. 3 Microstructure of quenched 45# steel

由圖2（a）可知，隨著試樣表面到中心距離增加，硬度減小， 結(jié)合圖3 試驗(yàn)鋼淬火后金相組織可見(jiàn)，隨著距表面深度增加， 由于冷卻速度開(kāi)始顯著降低，馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距試樣表面4.8 mm 處馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)約50%。 一般45# 鋼淬硬層HRC 硬度標(biāo)準(zhǔn)為 42.5， 通過(guò)區(qū)域硬度標(biāo)定，繪制曲線(xiàn)，得出距淬火表面4.8 mm 處HRC 硬度值約為 42.5， 由此 Φ50 mm45# 鋼 10%NaCl 溶液中淬火淬硬層深度為4.8 mm，對(duì)應(yīng)的淬火臨界冷速約為72 ℃/s。

對(duì)應(yīng)的40# 鋼淬火后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由表面到芯部分布的金相組織，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)用40Cr 鋼淬火后的金相組織Fig. 4 Microstructure of quenched 40Cr steel

由圖 2（b）和圖 4 可知，40Cr 鋼淬火后硬度的表層到中心分布情況，以及金相組織變化與45# 相似。由圖4 可見(jiàn)，隨距表面深度增加，冷卻速度開(kāi)始顯著降低，導(dǎo)致馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距表面18 mm 處馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)約50%。 取40Cr 鋼淬硬層硬度標(biāo)準(zhǔn)為42 HRC （對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中淬火表面18 mm 處），結(jié)合實(shí)測(cè)溫度變化曲線(xiàn)，得出淬火樣冷卻速度（臨界冷速）約16 ℃/s。

2.2 淬火鋼回火過(guò)程中的金相組織

對(duì)淬火樣進(jìn)行600 ℃高溫不同時(shí)間回火， 經(jīng)取樣—拋光—腐蝕， 得到45# 鋼的金相組織如圖 5，40Cr 鋼的金相組織如圖6 所示。

圖5 試驗(yàn)鋼（45#）淬火—回火后顯微組織（500 倍）Fig. 5 Microstructure of 45# steel after quenching and tempering （500×）

圖6 40Cr 鋼淬火—回火后的顯微組織（500 倍）Fig. 6 Microstructure of 40Cr steel after quenching and tempering (500×)

由圖5 和圖6 可見(jiàn)，2 種試驗(yàn)鋼在600 ℃回火保溫過(guò)程中板條、位錯(cuò)、碳化物析出尺度上發(fā)生明顯變化， 從宏觀金相組織上可見(jiàn)，5 min 和10 min 保溫時(shí)間， 顯微組織中的碳化物和組織分布都不均勻，到20 min 后，碳化物彌散度顯著，組織也較均勻。 淬火后合金鋼回火過(guò)程，宏觀金相的變化，源自微觀組織如板條馬氏體、位錯(cuò)、碳化物析出尺寸的演變，這對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響[6]。 研究表明，高溫回火中，滲碳體將逐漸聚集長(zhǎng)大，回火溫度越高，滲碳體顆粒也越大，450 ℃以上，鐵素體回復(fù)作用增強(qiáng)，馬氏體板條形態(tài)逐漸變?yōu)槎噙呅巍?對(duì)于40Cr 這類(lèi)添加碳化物形成元素的低合金鋼中，合金元素獲得了足夠擴(kuò)散能力，以細(xì)小碳化物析出，滲碳體需部分回溶為其提供碳元素[3]。 隨回復(fù)程度的進(jìn)行，板條內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)也有明顯變化，原來(lái)的位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)通過(guò)胞壁規(guī)整發(fā)展成鐵素體亞晶， 一些紊亂纏繞的位錯(cuò)也逐漸有序化，排列成網(wǎng)絡(luò)狀或半網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，這種組態(tài)使位錯(cuò)有最低的能量，穩(wěn)定性高[5]，降低了淬火鋼材料強(qiáng)度，而提高了韌性。

2.3 淬火/回火后試驗(yàn)鋼的性能分析

為得到淬火、 淬火—回火后鋼的綜合機(jī)械性能，找出熱處理后的硬度與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和延伸率之間的關(guān)系， 對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 淬火及回火試樣各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比Fig. 7 Comparisons of quenched and tempered samples

對(duì)比圖 7（a）中曲線(xiàn) 1 和曲線(xiàn) 3、曲線(xiàn) 2 和曲線(xiàn)4 可知，淬火樣強(qiáng)度遠(yuǎn)大于回火。 棒材淬火后的截面， 在沿徑向不同深度處的抗拉及屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大，回火后試樣強(qiáng)度明顯降低，內(nèi)外強(qiáng)度更加均勻，主要是試驗(yàn)鋼棒材淬火過(guò)程時(shí)間短，表面的冷卻條件在紊流沖擊下差別較大， 導(dǎo)致沿徑向同截面深度各區(qū)冷卻速度不均， 而回火過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，相和組織轉(zhuǎn)變充分所致。 塑性指標(biāo)方面（對(duì)比圖 7 （b） 中曲線(xiàn) 1 和曲線(xiàn) 3、 曲線(xiàn) 2 和曲線(xiàn) 4 可知）， 回火后斷面收縮率與斷后伸長(zhǎng)率顯著增加，均勻性強(qiáng)。

2.4 合金鋼淬/回火過(guò)程中溫度和熱應(yīng)力演變的有限元分析

合金鋼棒材淬火中， 棒材截面上冷卻和相變過(guò)程有不均勻和不同時(shí)性， 棒材不同部位體積和形狀上變化差異，引起相互束縛，產(chǎn)生不同的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致的淬火應(yīng)力， 是使得棒材在淬火中產(chǎn)生裂紋的主要原因[7-8]。 隨冷速增加，棒材內(nèi)主要有2 種內(nèi)應(yīng)力，一是溫差引起的熱應(yīng)力，一是組織轉(zhuǎn)變不均勻、不同時(shí)形成的組織應(yīng)力。 這2 種應(yīng)力在淬火過(guò)中相互疊加、消除，最終形成殘余應(yīng)力。

棒材在線(xiàn)淬火時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，屬熱彈性問(wèn)題。 本文通過(guò)Marc 建立合金鋼溫度場(chǎng)模型，水冷換熱系數(shù)取自試驗(yàn)中表層溫度變化曲線(xiàn)數(shù)據(jù)反算得到，得到溫度演變的有限元模型后再耦合應(yīng)力場(chǎng)， 典型的45# 鋼淬火熱應(yīng)力結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 45# 鋼淬火中溫度變化仿真Fig. 8 Simulation of temperature change of 45# steel during quenching

結(jié)合圖8、圖9 可知，剛開(kāi)始淬火時(shí)，表面冷速大，芯部冷速由于熱阻作用，遠(yuǎn)低于表面。 由于熱脹冷縮，表面收縮為拉應(yīng)力，芯部為壓應(yīng)力。 隨淬火進(jìn)行，表面溫度急速下降使表層部分溫度差急速擴(kuò)大[9-12]。 圖9表明，沿X 軸表面切向應(yīng)力迅速上升到400 MPa，軸向應(yīng)力迅速上升達(dá)到600 MPa，處于拉應(yīng)力；芯部徑向應(yīng)力迅速下降到100 MPa，軸向應(yīng)力下降到60 MPa，使芯部處于壓應(yīng)力。 隨著表面溫度接近冷卻水溫度，表層溫差逐漸縮小，靠近表面冷速降低，棒材表面拉應(yīng)力減小，當(dāng)棒材淬火時(shí)間達(dá)到18 s 時(shí)，表面拉應(yīng)力下降為0， 成為由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[13-16]。 隨后由于淬火的繼續(xù)，表面壓應(yīng)力迅速增大，淬火時(shí)間到60 s 時(shí)，棒材內(nèi)外溫度接近冷卻水溫度，冷速趨同，應(yīng)力變化趨緩。 棒材芯部應(yīng)力變化與表面相反，由淬火開(kāi)始時(shí)的壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變[17-20]。淬火結(jié)束后，由于主要受淬火溫差影響，最終棒材表面受壓應(yīng)力，芯部受拉應(yīng)力。 不同鋼種和規(guī)格規(guī)律相似[21-24]。

3 結(jié) 語(yǔ)

合金鋼棒材的在線(xiàn)淬火—回火工藝， 有縮短生產(chǎn)流程，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的顯著優(yōu)勢(shì)。 本文針對(duì)典型的45# 鋼和40Cr 鋼棒材，采用熱處理試驗(yàn)、 組織性能檢測(cè)、 有限元模擬等方法，進(jìn)行了相關(guān)研究，得出的主要結(jié)論如下：

1） 按HRC42.5 標(biāo)準(zhǔn)，45#鋼淬硬層深度約4.8 mm，臨界冷速約 72 ℃/s；按 HRC42 標(biāo)準(zhǔn)，40Cr 鋼淬硬層深度約18 mm，臨界冷速約16 ℃/s。

2） 淬火鋼高溫回火中，組織變化顯著，600 ℃高溫回火保溫20 min 后，鋼中碳化物分布較為彌散，強(qiáng)塑性和沿橫截面均勻性得到顯著改善。

3） 不同合金鋼和規(guī)格棒材淬火中熱應(yīng)力變化情況相似， 由于表面冷速和材料內(nèi)部熱阻的共同影響，受力狀態(tài)表層先拉后壓，心部與此相反。