热处理工艺对含钒ER70S-6钢马氏体含量的影响

2021-12-17陈聪聪周鹏飞

西南科技大学学报 2021年1期

陈聪聪周鹏飞李涛王敏杨彪

(1. 西南科技大学工程技术中心四川绵阳 621010； 2. 成都大学机械工程学院四川成都 610106 )

双相钢是由铁素体和马氏体两相组成的低碳低合金化的新型钢种，它具有高强度、高强韧性、综合力学性能优越、合金化程度低、生产工艺简单、生产成本低等优点，广泛适用于冷加工成型，是一种很有发展前途的高效钢材[1-3]。

美国是最先研究双相钢的国家，并在1968年取得了双相钢的专利权。1975年日本学者S·Hayami等发表了有关双相钢化学成分、显微组织、力学性能和加工成形性的研究报告；同年，日、美等国家先后研制和生产了可用于汽车工业的双相钢[4]。目前，日本在双相钢的生产方面处于领先地位，其热轧双相钢以低温卷取为主，大大降低了Cr，Mo，V等合金元素的加入量，用其制造的车轮成形性好且疲劳寿命也大幅提高[5]。我国从1970年代开始研究双相钢，已在板材和棒材方面取得了一定成果，用于汽车工业的双相钢板以冷轧板为主[6]。对于非冲压成型钢材，如线材、管材和紧固件等领域，双相钢的研制工作才刚刚起步[7]。

ER70S-6钢是用来做焊丝的材料，其组织主要是大部分粗大的铁素体和少量颗粒状的珠光体[8-9]，通过适当的轧制工艺后，可以获得双相钢用在冷镦行业制作螺栓[10]。但通过多次力学试验发现，轧制的双相钢通过拉拔后虽然强度升高但塑性下降太大[11]。通过添加钒元素可以提高ER70S-6钢基体的强度[12]，但添加钒元素后如何通过热处理的方式获得双相组织目前鲜有研究。本文主要以添加钒元素的ER70S-6钢为研究对象，对其热处理性能进行研究，分析钒元素对ER70S-6钢热处理相变点的影响规律，并探究添加钒元素后获得双相组织的难易程度(空冷、油淬、水淬)以及温度和冷却方式对马氏体含量的影响，为深入研究ER70S-6钢的性能及应用打下基础。

1 试验方法

1.1 试样制备

通过WK型非自耗真空电弧炉熔炼、锻造的方式制备合金成分(质量分数，%)为0.07C-1.5Mn-0.90Si(1#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.01V(2#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.02V(3#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.04V(4#)的4个30 mm×30 mm方形锻件。从1#-4# 锻件上分别截取12个尺寸约为10 mm×10 mm×10 mm的试样。

1.2 热处理工艺

将4组试样放入SGM箱式电阻炉(生产厂家：洛阳西格马炉业股份有限公司)中，分别加热至700,750,800,870 ℃，保温15 min后对不同温度下的每组试样分别进行空冷、油淬和水淬处理。

1.3 金相试样制备与观察

将热处理后的试样经过打磨、抛光、腐蚀并烘干，制备出试验所需要的金相试样。采用10XB-PC型金相显微镜(生产厂家：上海光学仪器一厂)观察试样的显微组织，并在每个试样上选取3个不同的位置拍摄金相照片，使用Image tool软件测算分析含钒ER70S-6钢中马氏体的含量。

1.4 试验设计

采用全面试验法，对钒含量、加热温度和冷却方式3个试验因素影响下获得双相钢的难易程度进行研究。试验因素如表1所示。

表1 全面试验因素及水平Table 1 Factors and levels of the comprehensive test

2 试验结果与分析

2.1 700 ℃ 热处理结果

从金相组织中可以观察到1#- 4# 试样采用700 ℃ 热处理后，无论是空冷、油淬还是水淬其组织都为铁素体+珠光体，而得不到马氏体组织，只是不同成分的试样采用相同的热处理工艺或相同成分的试样采用不同的热处理工艺处理后，得到铁素体和珠光体的比例不同[13]。因此，在700 ℃ 热处理工艺条件下不能得到双相组织。3种具有代表性试样的金相照片如图1所示。这是由于钢的奥氏体化温度大约是727 ℃，加热到700 ℃ 时不能使组织奥氏体化，无论空冷、油淬、水淬均得不到马氏体组织，即得不到双相组织[14]。

图1 700 ℃ 热处理后不同方式冷却后的金相组织Fig.1 Metallographic structures after heating at 700 ℃ and cooling in different ways

2.2 750 ℃ 热处理结果

选取3种具有代表性的金相试样进行分析。如图2(a)所示，从金相组织中观察到1# 试样加热温度为750 ℃ 空冷后的组织仍得不到马氏体，因此采用此热处理方式得不到双相组织。如图2(b)和图2 (c)所示，2# 和3# 试样加热到750 ℃，采用油淬或水淬冷却后可以得到少量的马氏体，只占到整个组织的1.5% 左右，其组织为铁素体+珠光体+少量马氏体。

钢加热至奥氏体化温度后快速冷却，冷却速度大于合金的临界冷却速度，在较低温度下(低于Ms点)才能转变为马氏体组织。图2(a)中没有马氏体出现，是由于空冷条件下冷却速度较慢，在温度没有降至Ms点以下时奥氏体组织已经发生了转变，奥氏体在缓慢的冷却条件下形成了珠光体。图2(b)和图2 (c)中因为钢的奥氏体化温度约为727 ℃，在750 ℃条件下只有很少一部分组织转变为奥氏体，因此在油淬和水淬快速冷却下得到了少量马氏体组织。

图2 750 ℃ 加热后不同方式冷却后的金相组织Fig.2 Metallographic structures after heating at 750 ℃ and cooling in different ways

2.3 800 ℃热处理结果

选取10种具有代表性的金相试样进行分析。如图3(a)和图3 (b)所示，从金相组织中可以观察到1# 和4# 试样加热温度为800 ℃ 空冷后，部分奥氏体可以转变为马氏体，但马氏体的含量较少，大约2%。但3# 和4# 试样加热到800 ℃ 空冷后，奥氏体不能转变为马氏体。这是由于加入钒元素后，过冷奥氏体稳定性增加，且使Ms点降低，过冷奥氏体难以转变为马氏体[15]。

图3(c)-图3(j)分别为1# 至4# 试样加热温度为800 ℃，分别采用水淬和油淬的热处理结果。从金相组织中可以看到这些组织都为铁素体+马氏体组成的双相组织，但马氏体组织所占的比例各不相同。通过对金相图片进行处理分析可知：采用800 ℃ 热处理后，1# 试样水淬得到马氏体含量为20.78%，油淬为18.36%；2# 试样水淬得到马氏体含量为20.15%，油淬为18.54%；3# 试样水淬得到马氏体含量为19.83%，油淬为18.04%；4# 试样水淬得到马氏体含量为19.59%，油淬为17.27%。

图3 800 ℃ 加热后不同方式冷却后的金相组织Fig.3 Metallographic structures after heating at 800 ℃ and cooling in different ways

水淬和油淬的冷却速度较快，试样可以快速冷却至Ms点以下，抑制其扩散性分解，发生无扩散性相变，形成马氏体。另外，除了Co和Al以外的合金元素，当其溶解于奥氏体中后，会使过冷奥氏体的稳定性增加，C曲线右移，并使Ms点降低[16]。因此，试样基本是按照随含钒量的增加生成马氏体的含量逐渐减少变化的。

2.4 870 ℃ 热处理结果

如图4(a)-图4(d)所示，从金相组织中可以观察到 1# 至4# 试样加热温度为870 ℃ 空冷后，部分奥氏体可以转变为马氏体。通过对马氏体含量分析可知：1# 试样为7.2%；2# 试样为6.85%；3# 试样为6.77%；4# 试样为5.91%。由于随着热处理温度的升高，奥氏体组织与铁素体组织含量的比值逐渐增大，当空冷时奥氏体转变为珠光体后，还有部分奥氏体可以到Ms点以下才发生组织转变，转变成了马氏体组织[17]。

如图4(e)-图4(l)所示，从金相组织中可以看到 1# 至4# 试样加热温度为870 ℃，水淬和油淬冷却后，部分奥氏体可以转变为马氏体，该热处理工艺也可以得到双相组织。经分析可得：在870 ℃ 的热处理温度下，1# 试样水淬得到马氏体含量为9.34%，油淬为8.97%；2# 试样水淬得到马氏体含量为 8.96%，油淬为8.49%；3# 试样水淬得到马氏体含量为8.15%，油淬为7.94%；4# 试样水淬得到马氏体含量为8.23%，油淬为7.38%。

图4 870 ℃ 加热后不同方式冷却后的金相组织Fig.4 Metallographic structures after heating at 870 ℃ and cooling in different ways

水淬或油淬后观察到的金相图片中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，还有可能含有部分残留过冷奥氏体，红白色部分为马氏体。加热温度为870 ℃ 时，ER70S-6钢中大部分珠光体转变为奥氏体，水淬或油淬时在快速冷却过程中过冷奥氏体迅速增加；随着温度的降低，转变为马氏体的量增大，体积迅速膨胀，从而使过冷奥氏体失去转变为马氏体的条件。因此，加热温度为870 ℃，水淬或油淬的相图中可能有部分过冷奥氏体存在。