亚温淬火对22SiMnCrNi2MoA钢组织和性能的影响

2019-08-12姜世杭朱智峰徐有岩丁晓亮

扬州大学学报（自然科学版） 2019年2期

姜世杭, 朱智峰, 徐有岩, 丁晓亮

(1. 扬州大学机械工程学院, 江苏扬州 225127; 2. 江苏捷凯电力器材有限公司, 江苏扬州 225233)

22SiMnCrNi2MoA钢是一种低碳马氏体钢,具有较高的强韧性能,被广泛用于制作钎具零件或机械．刘群等[1]研究了22SiMnCrNi2Mo钢淬火后不同温度回火对组织和性能的影响, 发现200 ℃回火时材料具有较好的强度、硬度和塑韧性; 秦晓峰等[2]提出FF710钢通过连续冷却可在过渡区及基体得到马氏体和贝氏体为主的复相组织,具有明显的强韧化效果．上述研究成果探讨了常规热处理工艺对组织和强韧性的影响, 但未考虑材料的低温冲击性能．亚温淬火是在Ac1～Ac3之间加热淬火的一种热处理工艺,也是低、中碳低合金钢强韧化的有效途径之一．Jiang等[3]的研究表明增加亚温淬火可以降低TMCP齿条钢的韧脆转变温度, 提高韧性; Tao[4]和Xie[5]等研究了低碳低合金钢淬火-亚温淬火工艺的组织和性能,得到条状铁素体与马氏体组织, 获得了高的低温韧性; Xie等[6]通过两步临界热处理, 在低合金钢中获得了稳定的细小膜状残余奥氏体, 稳定的残余奥氏体不仅有利于提高材料的塑性,而且还能提高低温韧性; Yan等[7]通过与常温淬火对比, 发现亚温淬火后的C-Mn-Si钢强度和延伸率乘积较高, 但残余奥氏体对应变的改变更为敏感; Su等[8]研究了低碳中锰钢临界热处理后组织中奥氏体体积分数与韧性的关系, 指出逆变奥氏体的稳定性影响了材料断裂的形式; Farivar等[9]研究了渗碳后不同热处理对韧性的影响,发现随贝氏体和残余奥氏体数量的增加,材料的韧性提高,而铁素体和马氏体数量的增加,降低了材料的韧性; Li[10]指出30CrMnSi钢在840 ℃亚温淬火时,能有效提高材料的强度和硬度．本文拟研究不同温度直接亚温淬火对22SiMnCrNi2MoA钢的组织结构、强度及低温韧性的影响,为此类钢材的推广应用提供热处理依据．

1 材料及方法

试验材料为上海宝钢产22SiMnCrNi2MoA钢, 其化学成分为wC=0.22%,wSi=1.38%,wMn=1.36%,wCr=0.37%,wNi=1.50%,wMo=0.35%．试验热处理工艺采用原材料直接亚温淬火+回火, 22SiMnCrNi2MoA钢的Ac1和Ac3分别为705, 845 ℃, 本文亚温淬火温度分别设为840, 830, 820, 810 ℃, 回火温度采用200 ℃．按《GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分: 室温试验方法》加工成室温拉伸标准试样,按《GB/T 229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工成V型缺口标准冲击试样, 每个温度下拉伸和冲击试样各3个, 试验结果取平均值．

拉伸试验在长春试验机研究所有限公司生产的DMS100万能材料试验机上进行,低温冲击试验在北京纳克分析仪器有限公司生产的NI300F冲击试验机上进行; 用德国LEICA DMI3000M金相显微镜观察金相组织, 并用Image-Pro Plus软件计算铁素体面积比例, 通过面积百分数表征铁素体量; 用德国Bruker-AXS公司生产的D8 Advance多晶X-射线衍射仪进行物相测试, Jade5.0软件分析衍射数据; 用日本日立S-4800Ⅱ场发射扫描电镜观察组织形貌, 荷兰PHILIPS XL30-ESEM扫描电子显微镜观察低温冲击断口形貌．

2 结果与分析

2.1 组织形貌

图1为22SiMnCrNi2MoA钢在不同温度亚温淬火并进行200 ℃回火后的显微组织．图1显示, 组织都为回火马氏体和少量铁素体,其中810 ℃淬火时铁素体形状表现为局部密集分布的块状、分散分布的小块状、条状和颗粒状; 820 ℃时铁素体基本为较分散的块状、条状和颗粒状; 830 ℃时铁素体量明显减少, 为小块状、条状和颗粒状; 840 ℃时则只有少量的小块状、条状和颗粒状铁素体．

图1 22SiMnCrNi2MoA钢亚温淬火的显微组织Fig.1 Microstructure of subcritical quenched 22SiMnCrNi2MoA steel

图2为840 ℃淬火时材料的扫描电镜图．从图2可以看出,马氏体形态主要有图2(a)中A、B、C区所示的3种形态, 图2(b)显示各组成中晶界清晰, 图2(c)～(e)表明A区马氏体晶内是明显的板条结构,B区马氏体晶内保持了部分板条结构,而C区马氏体晶内包含几个不同取向的马氏体束, 其他温度淬火处理得到的材料中马氏体的形态类似．

图2 840 ℃亚温淬火时22SiMnCrNi2MoA钢的扫描电镜图Fig.2 SEM microstructure of 22SiMnCrNi2MoA steel subcritical quenched at 840 ℃

2.2 力学性能

图3 亚温淬火温度对22SiMnCrNi2MoA钢力学性能的影响Fig.3 Effect of subcritical quenching on mechanical properties of the 22SiMnCrNi2MoA steel

图3为不同温度亚温淬火所得材料的力学性能．由图3可见, 22SiMnCrNi2MoA钢的强度和低温韧性均随亚温淬火温度的升高而提高,屈服强度的增长速率比抗拉强度大; 当温度高于820 ℃时, 亚温淬火温度对材料的抗拉强度影响较小, 而高于830 ℃时对屈服强度的影响较小, 故840 ℃时材料的强度和低温韧性最好, 此时, 屈服强度Rp0.2=1 417 MPa, 抗拉强度Rm=1 553 MPa, -40 ℃冲击吸收能量为48.4 J．

2.3 组织和性能分析

22SiMnCrNi2MoA钢原材料的硬度为32～35 HRC, 图4为原材料显微组织．从图4可以看出,原材料组织为铁素体和托氏体, 且托氏体分布不均匀,局部区域铁素体较多．810 ℃加热时, 元素扩散慢,由于奥氏体是在珠光体上成核,因此珠光体少而铁素体较多的区域中铁素体消失较慢, 所以在810 ℃淬火组织中存在局部密集分布的块状铁素体．用Image-Pro Plus软件分析得到, 810,820,830, 840 ℃淬火时组织中铁素体量分别约为2.79%, 1.37%, 0.24%, 0.09%．820 ℃淬火比810 ℃淬火时铁素体量减少了近一半,铁素体形态也由局部密集分布的块状、分散分布的小块状、条状和颗粒状转变为分散分布的少量块状、条状和颗粒状,局部密集分布的大块状铁素体基本消失(图1(b)), 而屈服强度升高了140 MPa, 抗拉强度升高了73 MPa, 冲击吸收能量(-40 ℃) 升高了1.7 J; 830 ℃淬火比820 ℃淬火时铁素体量虽然也减少了1.13%,但屈服强度仅升高了40 MPa, 抗拉强度升高了7 MPa, 冲击吸收能量(-40 ℃) 升高了1.5 J, 故局部密集分布的大块状铁素体对强度的影响大于对低温韧性的影响; 830,840 ℃淬火时,铁素体形态基本为小块状、条状和颗粒状,由于块状铁素体量已经很少,屈服强度只升高了40 MPa, 抗拉强度只升高了3 MPa, 冲击吸收能量(-40 ℃) 升高了0.6 J, 表明块状铁素体对低温韧性有较大的影响．硬度低、塑性好的铁素体能阻碍裂纹扩展,但粗块状铁素体使马氏体难以最大限度地分开,故断裂时,裂纹不一定会通过韧性好的铁素体;所以810 ℃淬火时局部密集分布的大块状铁素体起不到阻碍裂纹扩展的作用,使其低温韧性较低;温度升高后,铁素体分布的分散性增大,阻碍裂纹扩展的作用增加,使材料低温韧性提高．

低温韧性除了与铁素体的量和形态有关,还和残余奥氏体等有关．图5为不同温度下亚温淬火后材料的XRD图谱．从图5可见, 材料主要为铁素体(马氏体,α-Fe), 810 ℃亚温淬火时没有奥氏体峰, 820,830,840 ℃亚温淬火时材料中出现极少的奥氏体(γ-Fe), 且随着淬火温度的升高,残余奥氏体的含量逐渐增加,材料的低温韧性增大,这是因为残余奥氏体是韧性相,具有阻止裂纹扩展的能力,因而能提高材料的低温韧性．