高强韧性B/M复相钢的热处理工艺研究

魏德强，张晓媛，王　荣，高　浩

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林　541004)



高强韧性B/M复相钢的热处理工艺研究

魏德强，张晓媛，王荣，高浩

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

为了研究等温淬火热处理工艺对B/M复相钢组织及其性能的影响，通过Jmatpro软件模拟，得到温度-相平衡图及TTT曲线，运用JSM-5610LV扫描电镜、JB-300半自动冲击试验机、HRS-150型数显洛氏硬度计等进行显微组织、力学性能的测试和分析。分析结果表明，本实验条件下理想的热处理工艺参数为淬火温度870 ℃、出液温度318 ℃、等温温度370 ℃，组织为下贝氏体和马氏体，冲击韧性为28～30 J/cm2，硬度为45～47 HRC，硬韧性明显改善。

复相钢；显微组织；力学性能

贝氏体组织具有良好的强韧性，且在强度相同情况下耐磨性更好[1]。20世纪50年代，Pickering等[2]提出的低碳Mo-B系贝氏体钢，其抗拉强度可达到580～1170 MPa，但其冲击韧性较差。20世纪70年代，方鸿生等[3]研制了Mn-B系空冷贝氏体钢。2014年，王猛等[4]对60Si2Mn钢盘条进行300 ℃等温淬火，其材料抗拉强度保持在1800 MPa以上。目前，国内外研究主要集中在B/M复相钢的组织和性能方面，而少有对其热处理工艺的研究。为此，以低碳低合金钢为实验基材，依据等温淬火热处理工艺与淬火回火工艺原理，对其进行冲击试验，以获得B/M复相钢的较为理想的热处理工艺参数。

1　实验材料与方法

1.1实验材料

实验用低碳低合金钢为ZG30CrNiMo耐磨钢，将其切割成15 mm×15 mm×60 mm的样件，使用型号为SPECTRO MAXx直读光谱仪对其进行成分分析，经多次测试取其平均值，结果如表1所示。

表1　试验钢化学成分

1.2实验方法

将样件按GB/T 229―2007相关要求加工成10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样。实验时使用冲击试样进行的热处理工艺路线为：将冲击试样在型号为RXJ-4-13高温箱式电阻炉中进行奥氏体化，保温60 min；然后将工件取出淬入淬火桶(Φ1000 mm×600 mm)；用红外线测温仪测量出液温度，当工件表面温度降至Mf～Ms(240～350℃)时取出；再快速转入型号为SX-4-10的低温箱式电炉中等温60 min；最后取出空冷。等温淬火工艺如图1所示。其中：TA为奥氏体化加热温度；TQ为出液温度；Ac3为奥氏体加热临界点温度；Ms为马氏体开始转变点温度；A→P表示指奥氏体转变为珠光体；A→B表示指奥氏体转变为贝氏体。

图1　等温淬火工艺Fig.1　Isothermal quenching process

将热处理后的冲击试样在JB-300半自动冲击试验机上进行冲击试验，在冲断后的试样上切取10 mm×10 mm×10 mm金相试样，采用HRS-150型数显洛氏硬度计进行硬度测试，并用JSM-5610LV扫描电镜进行微观组织观察。

2　试验结果与分析

2.1淬火温度的确定

图2为实验材料经JmatPro软件模拟得到的温度-相平衡图。从图2可看出，低于810 ℃时，钢中组织主要是铁素体和渗碳体；当温度达到810 ℃时，奥氏体转变完成，转变量为99.99%，所以其临界点(Ac3)温度为810 ℃。因而等温淬火工艺奥氏体化温度选取850、870、890 ℃，不同淬火温度的热处理工艺如表2所示。

图2　温度-相平衡图Fig.2　The relationship between temperature and phase-equilibrium

淬火温度/℃保温时间/min出液温度/℃等温温度/℃等温时间/min850603183706087060318370608906031837060

不同淬火温度对组织的影响如图3所示。热处理后的组织主要有马氏体、贝氏体和少量碳化物。当淬火温度为850 ℃时，组织中还有块状铁素体，继续升高温度到870 ℃时，热处理后组织有贝氏体和马氏体，当继续升高温度到890 ℃，组织逐渐粗化。

图4为不同淬火温度对力学性能的影响。从图4可看出，随着淬火温度的升高，硬度与冲击韧性先增大后减小，组织由块状铁素体逐渐转变为贝氏体+马氏体组织，继续升高温度，组织逐渐粗化。因此，当淬火温度为870 ℃时，其综合力学性能最佳。

2.2出液温度的确定

图5为JmatPro仿真软件模拟的过冷奥氏体等温转变(time，temperature，transformation，简称TTT)曲线。从图5可看出，实验试样的高温转变区和中温转变区的孕育期较短，马氏体相变属于非扩散型相变，若要获得马氏体，避免非马氏体类组织转变，在冷却过程中必须有较大的冷却速度，为此，使用浓度为5%的PAG溶液作为淬火介质。PAG淬火介质是由聚烷撑乙二醇聚合物加添加剂的水溶性淬火介质,相比于水有较慢的冷却速度，相比于油具有较快的冷却速度[5]。

马氏体转变量计算采用比较成熟的Koistinen-Marburge公式[6-7]：

图3　淬火温度对组织的影响Fig.3　The effect of quenching temperatures on the microstructure of acicular ferrite

图4　淬火温度对力学性能的影响Fig.4　The effect of quenching temperature on mechanical properties

图5　TTT曲线Fig.5　TTT curve

fM(T)=1-exp[-k(Ms-T)],T≤Ms

(2)

其中：fM(T)表示马氏体体积分数；Ms为马氏体开始转变温度；k为常数，一般取k=0.011。依据Koistinen-Marburge公式计算可知，生成10%、30%、50%马氏体量所对应的温度分别为Ms-9 ℃，Ms-32 ℃，Ms-63 ℃；因而等温淬火工艺选取的出液温度为341、318、287 ℃，不同出液温度的热处理工艺如表3所示。

表3　不同出液温度的热处理工艺

不同出液温度对组织的影响如图6所示，热处理后，组织主要有马氏体、贝氏体和少量碳化物。当出液温度为341 ℃时，马氏体量较少(约8%)；当出液温度为318 ℃时，马氏体量已增加到26%；当出液温度继续降低到287 ℃，马氏体量约45%。

图6　出液温度对组织的影响Fig.6　The effect of liquid temperatures on the microstructure of acicular ferrite

不同出液温度对力学性能的影响如图7所示。从图7(a)可看出，随出液温度的降低，硬度逐渐升高。从图7(b)可看出，随出液温度的降低，冲击韧性逐渐降低。因此，当出液温度为318 ℃时，其硬度和韧性配合最佳。

图7　出液温度对力学性能的影响Fig.7　The effect of liquid temperature on mechanical properties

2.3等温温度的确定

贝氏体组织形态比较复杂，常见的有上贝氏体和下贝氏体。贝氏体相变是半扩散型相变，转变过程中只有碳原子的扩散运动，碳原子扩散能力弱，铁素体在奥氏体晶内或晶界内某些界面上长成针状并固溶较多的碳原子，但碳原子扩散运动难以逾越铁素体的范围，只能在铁素体一定晶面上以细小弥散的碳化物形式析出，形成下贝氏体。钢在较低的转变温度下获得的贝氏体具有高强度[8]。因此，在相变过程中，发生贝氏体转变时其转变温度应尽量低。等温淬火工艺选取的等温温度为Ms+10 ℃、Ms+20 ℃、Ms+30 ℃。不同等温温度热处理工艺如表4所示。

表4　不同等温温度的热处理工艺

不同等温温度对组织的影响如图8所示。当等温温度为360 ℃时，热处理后组织为贝氏体+马氏体和少量的残留奥氏体，这是由于不同的等温温度，贝氏体及马氏体中碳的固溶度不一样；当等温温度为370 ℃时，组织逐渐粗化，贝氏体量逐渐升高；继续升高等温温度，当温度为380 ℃时，组织显著粗化。

不同等温温度对力学性能的影响如图9所示。从图9(a)可看出，随等温温度的升高，硬度逐渐降低。从图9(b)可看出，随等温温度的升高，冲击韧性逐渐升高。因此，当等温温度为370 ℃时，其硬度和韧性配合最佳。

图8　等温温度对组织的影响Fig.8　The effect of isothermal temperatures on the microstructure of acicular ferrite

图9　等温温度对力学性能的影响Fig.9　The effect of isothermal temperature on mechanical properties

3　结束语

1)当淬火温度由850 ℃升高到870 ℃时，组织由铁素体+贝氏体+马氏体转变为贝氏体+马氏体，硬度与冲击韧性均逐渐升高；继续升高淬火温度到890 ℃时，组织粗化，其硬度与冲击韧性均逐渐降低。因此，当淬火温度为870 ℃时，组织为下贝氏体+马氏体，综合力学性能最佳。

2)当出液温度由341 ℃降低到318 ℃时，组织中马氏体量逐渐增加，硬度逐渐升高，韧性逐渐降低；继续降低出液温度到287 ℃时，马氏体量增多，硬度升高，韧性降低；当出液温度为318 ℃时，综合力学性能最佳。

3)当等温温度由360 ℃升高到370 ℃时，贝氏体量增多，组织逐渐粗化，所以硬度逐渐降低，韧性逐渐升高；继续升高等温温度时，硬度降低，韧性增加不明显。因此当等温温度为370 ℃，综合力学性能最佳。

在本试验条件下，经等温淬火工艺的微观组织为下贝氏体+马氏体；理想的热处理工艺参数为淬火温度以临界温度稍上30～50 ℃(870 ℃)为宜；出液温度以318 ℃为佳；等温温度在370 ℃为佳；硬度为45～47 HRC，冲击韧性为28～30 J/cm2，综合性能良好。

[1]韦东远,顾家琳,方鸿生,等.1500 MPa级贝氏体/马氏体复相高强度钢的疲劳特性[J].钢铁研究学报,2003(4):46-50.

[2]PICKERING F B.Physical Metallurgy and The Design of Steel[M].London:Applied Sciene Publisher,1980:44-50.

[3]方鸿生,黄进峰.我国贝氏体钢的前景[J].金属热处理,1998(7):1-14.

[4]王猛,王立峰,王全礼,等.等温时间对60Si2Mn钢下贝氏体组织性能的影响[J].材料热处理,2014(9):146-150.

[5]胡绍文,刘麦秋,李卫明.水基淬火介质PAG的使用[J].热加工工艺,2006,35(27):77.

[6]KOISTINEN D F,MARBURGE R E.General equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steel [J].Acta Metall,2005(7):50-60.

[7]KRAUSS G.Heat treatment and processing principles [J].ISIJ International,2011,51(5):818-825.

[8]陈洪,纪胜如,李湘生,等.关于空冷贝氏体钢的成分设计[J].湖北工学院学报,1996,11(3):32-36.

编辑：张所滨

Research on heat treatment process of B/M multiphase steel with high strength and toughness

WEI Deqiang, ZHANG Xiaoyuan, WANG Rong, GAO Hao

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

The effects of the heat treatment process of isothermal and tempering on the structure and properties of B/M multiphase steel. Jmatpro software is used to simulate temperature-phase equilibrium diagram and TTT curve. Microstructure and mechanical properties are tested and analyzed by JSM-5610LV scanning electron microscope, JB-300B impact testing machine, HRS-150 digital Rockwell hardness tester etc. Results show in the experimental conditions, the ideal heat treatment process parameters are as follows: the quenching temperature is 870 ℃, the temperature of leaving liquid is 318 ℃, the isothermal temperature is 370 ℃. Matrix microstructures of the material are the combination of lower bainite and martensite. Impact toughness of the material is in the range of 28 to 30 J/cm2. Hardness is in the range of 45 to 47 HRC, the hard toughness is improved obviously.

multiphase steel; microstructure; mechanical property

2016-03-04

桂林市科学研究与技术开发计划(20150102-5,20140101-7)

魏德强(1963-)，男，黑龙江鸡西人，教授，研究方向为新材料、材料表面强化处理。E-mail:wdq1963@sina.com

TG156

A

1673-808X(2016)04-0294-05

引文格式：魏德强，张晓媛，王荣，等.高强韧性B/M复相钢的热处理工艺研究[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(4):294-298.