化学成分及等温淬火温度对低碳合金钢组织和性能的影响

2021-01-19孙柯楠刁晓刚

铸造设备与工艺 2020年5期

孙柯楠，刁晓刚

（1.佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江佳木斯 154007；2.中信重工洛阳重铸铁业有限责任公司，河南洛阳 471039）

近几十年来，贝氏体理论的应用研究取得了重大进展，贝氏体钢的研究开发已经引起学术界和工程界的高度重视，并在工业生产中也得到了广泛应用[1-3]。其中，中低碳贝氏体合金钢兼顾硬度、冲击韧性和耐磨性，被视为耐磨材料界理想的材质之一[4-5]。然而，中低碳合金钢化学成分和热处理工艺系统尚不完善，尤其是碳元素、硅元素含量及等温淬火温度对中低碳贝氏体合金钢组织和性能的影响尚不明确。

本文通过调整低碳贝氏体合金钢中碳含量、硅含量和热处理工艺，研究其对组织和性能的影响规律，为低碳贝氏体合金钢在工业领域的进一步发展和应用提供理论指导和实验参照。

1 实验方法

1.1 材料的制备

控制材料C 质量分数分别为:0.38%、0.43%、0.48%，Si 质量分数分别为:1.0%、1.5%、2.0%，配制原料。使用12 kg 中频感应炉熔炼铁水，原料主要由1Cr18Ni9、锰铁（ω（C）6%、ω（Mn）55%）、硅铁（ω（Si）60%）、废钢（ω（C）0.2%、ω（Si）0.3%、ω（Mn）0.4%）、生铁（ω（C）4.2%、ω（Si）1.0%、ω（Mn）0.4%）、铬铁（ω（Cr）65%）组成。所有原料熔化后，加热到1620℃，加入纯铝脱氧，扒渣后浇注出尺寸为10mm×10 mm×55 mm 的标准冲击试样。试样序号及其化学成分如表1 所示。

表1 实验钢化学成分（质量分数，%）

使用箱式热处理炉和自制盐浴炉进行等温淬火处理，具体工艺为:将试样加热到860 ℃，保温1 h，然后迅速淬入由体积比50%NaNO3和50%KNO3组成的硝盐中，保温2 h 后空冷。通过改变硝盐的温度，研究等温淬火温度对低碳合金钢组织和性能的影响，硝盐试验温度分别为270 ℃、310 ℃和340 ℃.

1.2 组织分析和性能检测

将热处理后的试样使用砂轮机粗磨后，用砂纸逐级细磨。然后使用抛光机将试样表面抛光，最后使用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，获得金相试样。利用光学显微镜观察微观组织。

冲击韧性的测定采用自动摆锤冲击机打击试样，在实验开始前设置机器的最大冲击功是300 J，三个试样的平均值作为最终的冲击韧性值。使用洛氏硬度计测试试样的硬度值，每根试样打三次硬度，取平均值。

2 实验结果及讨论

2.1 碳含量对低碳合金钢组织的影响

通常，碳质量分数对低碳合金钢组织和性能的影响比较明显。这是由于碳含量不仅影响低碳合金钢凝固过程中相的析出特性，而且影响热处理过程中元素的扩散速率和残余奥氏体或马氏体的含碳量[6-7]。图1 为碳含量对低碳合金钢的影响。由图1a）可知，组织中含有大量的白色区域，随着碳含量的增加，这种白色区域逐渐减少，如图1a）～1c）所示。Image-pro 软件统计结果显示，白色的区域从图1a）的25%减少到图1c）的8%.根据低碳钢的凝固特性和热处理特点，白色的区域为铁素体和残余奥氏体。

图1 碳质量分数对低碳合金钢的影响（Si 质量分数1.0%、等温淬火温度270°C）

2.2 硅含量对低碳合金钢组织的影响

硅在钢中是有益的元素，其主要作用是使钢脱氧。硅在铸造抗磨钢中大部分固溶于铁素体，少量以非金属夹杂物形式存在。同时，硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物的析出，类似于无碳化物贝氏体。有时，为了提高材料的耐腐蚀性，将Si 元素加入到贝氏体耐磨钢中，降低电位差以适用于腐蚀磨损环境下服役。图2 为硅质量分数对低碳合金钢的影响。从金相中并不能观察出硅元素变化后组织的明显变化。但由于Si 元素的增加抑制了贝氏体铁素体上渗碳体的析出[8-9]，因此，当硅质量分数达到2%时，金相组织相对偏亮。

图2 硅质量分数对低碳合金钢的影响（C 质量分数0.43%、等温淬火温度270 °C）

2.3 等温温度对低碳合金钢组织的影响

等温温度是影响低碳贝氏体合金钢组织的重要因素，图3 为C 质量分数0.43%、Si 质量分数1.5%时等温温度对低碳合金钢的影响。当温度较低时，贝氏体铁素体的尺寸变小，片层偏薄，如图3a）所示。随着等温温度的增大，贝氏体铁素体的尺寸增加，片层变厚，如图3c）所示。此外，低温时，贝氏体的形态为针状，组织内部还存在少量的马氏体相。高温时，贝氏体的形态相似于上贝氏体，呈羽毛状分布。

图3 等温温度对低碳合金钢的影响（C 质量分数0.43%、Si 质量分数1.5%）

2.4 化学成分和等温温度对低碳合金钢性能的影响

碳质量分数为0.38%时低合金钢韧性和硬度曲线如图4 所示。由图4a）可知，在270 ℃～340 ℃范围内，随着等温淬火的温度升高，低合金钢的冲击韧性有逐渐变大的趋势；由图4b）可知，在270 ℃～340 ℃范围内，硬度随着等温淬火的温度升高是先升高后降低的。由金相图可看出，基体中分布着大量的条状马氏体，少量的针状下贝氏体和残余奥氏体。马氏体可以增加材料的硬度，马氏体量比较多时，材料的韧性又要下将。在270 ℃时，这个温度很接近C-曲线的“鼻子”点，其奥氏体孕育时间短，有大量的时间转化为下贝氏体组织，在随后的冷却中有少量的转化为马氏体。

碳质量分数为0.43%时低合金钢韧性和硬度曲线如图5 所示。在270 ℃～340 ℃之间，随着等温温度的升高，低合金钢的韧性先降低后升高，硬度随着等温温度的升高有降低的趋势，在270 ℃时，同种化学成分的低合金钢韧性最好。Si 质量分数为1.0%时，低合金钢中有大量的马氏体，呈大块的白色区域，还有稀疏的残余奥氏体，下贝氏体组织，残余残余奥氏体和下贝氏体量少使得材料的韧性降低，而大量的马氏体却增加了材料的硬度。Si 质量分数为1.5%时，马氏体的量逐渐减少，同时残余奥氏体的量又增加了，下贝氏体量也增多了。Si 质量分数为2.0%时，有大量的细化奥氏体，呈白色条状型，马氏体的量显然减少，所以材料的韧性大，而硬度小。这证明了Si 有稳定奥氏体和细化奥氏体的作用。

图4 等温温度和Si 含量对低碳合金钢的影响（C 质量分数0.38%）

图5 等温温度和Si 含量对低碳合金钢的影响（C 质量分数0.43%）

碳质量分数为0.48%时低合金钢韧性和硬度曲线如图6 所示。当C 质量分数为0.48%时，Si 质量分数为2.0%时，其韧性在不同的等温温度下，都较好，说明了Si 有稳定和细化奥氏体的作用。但随着等温温度的升高是先升高再降低，硬度也是随着温度升高先升高再降低，在310 ℃时具有最好的机械性能。由金相图可知，有大量的奥氏体残余，一定量的马氏体，大量的针状贝氏体，使其具有很好的韧性和硬度性能。图6 还表明，Si 质量分数为1.0%时，韧性较Si 质量分数2.0%低，硬度却高很多，原因为组织结构中有很多的马氏体，使得硬度很大。