回火工艺对40CrNiMo钢组织与性能的影响

王浩楠,闫晋文,李顺强,刘吉梓

(南京理工大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210094)

40CrNiMo钢因其高强度、优异的综合力学性能及良好的抗过热稳定性等常用于制造重型机械中强度高、截面尺寸大、复杂的承载或传动零部件,如汽轮机轴、叶片、传动轴等[1]。40CrNiMo合金是Cr-Ni-Mo系优质高淬透性调质钢的典型代表,其中Cr、Ni等元素的添加能提高合金的淬透性并提高显微组织中铁素体的强度和韧性;而Mo、Cr等元素能促进碳化物的形成,可抑制奥氏体晶粒长大,防止回火脆性出现[2]。

工业生产过程中,恰当地选择热处理工艺制度是满足各种零部件不同性能要求的重要保障。40CrNiMo钢常用的热处理工艺为调质处理,即淬火和高温回火[3]。为了进一步提高其强韧性及其他特殊性能,一些特殊热处理工艺如亚温淬火[4]、深冷处理[5]、表面淬火[6]及表面化学热处理[7]等也会用来替换或增加到常规热处理工艺中。对于常规调质处理,主要根据钢的临界温度(Ac3)确定完全淬火温度,通常选择Ac3+(30～50)℃[8]。因此,回火工艺的选择至关重要。以往的研究[9]多认为40CrNiMo钢最佳回火温度≥600 ℃,抗拉强度约1 000 MPa,而对400～600 ℃回火时组织演变规律及其力学性能的研究尚不充分[10]。为发掘该类钢的性能潜力,以提高其服役寿命并进一步拓展其应用范围,有必要系统地研究回火温度、回火时间对其组织演变、力学性能的影响规律,探索最佳热处理工艺窗口,为实际生产提供一定的实验支撑和理论依据。

1 实验材料与方法

实验钢由国内某厂家提供,其主要化学成分如表1所示。利用热膨胀法测得实验钢的临界转变温度Ac1≈730 ℃,Ac3≈800 ℃。为了将组织完全奥氏体化,同时保证奥氏体不至于过度长大,选择实验淬火温度为850 ℃,保温0.5 h,淬火介质为机油。淬火组织为全马氏体组织,反映了实验钢良好的淬透性。为了研究回火工艺对实验钢组织性能的影响,首先对淬火钢在400～550 ℃进行回火处理,保温时间为2 h;随后在最佳回火温度下,选择不同的回火时间(0.5～6 h)。淬火和回火的加热过程均于管式加热炉中完成,保护气氛为氩气。

表1 40CrNiMo钢的化学成分质量分数表 %

利用线切割技术切割出合适尺寸的试样,并按照标准的制样方法制备样品,以满足组织观察和性能测试的要求。利用FEI Quanta 250F场发射扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和Zeiss Auriga双束系统扫描电镜的电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction,EBSD)观察显微组织特征。利用HMV-G21DT岛津维氏显微硬度仪测量显微硬度,载荷为4.9 N,加载时间为10 s。拉伸实验在Instron 5982综合力学试验机上进行,应变速率为10-3s-1。

2 实验结果与分析

2.1 回火温度对组织和性能的影响

实验钢在不同回火温度下的显微硬度和拉伸性能如图1所示。由图1(a)可知,随回火温度升高,试样的硬度单调下降。400 ℃回火时硬度最高(465 HV),回火温度低于450 ℃时,组织软化程度较低。回火温度分别为470 ℃、510 ℃、550 ℃时,实验钢的显微硬度分别为422 HV、400 HV、360 HV。回火温度越高,组织软化越严重。因为温度升高,元素扩散迁移加快,促进渗碳体的形成、聚集长大,同时内应力的降低、铁素体的回复与再结晶也会加速实验钢硬度的降低。

图1 回火温度对实验钢显微硬度和拉伸性能 的影响曲线图

由图1(b)可以看出,所有试样均为连续屈服,经不同温度回火的试样的弹性模量约200 GPa,基本一致。根据工程应力-工程应变曲线统计出力学性能随温度的变化规律如图1(c)所示。实验钢的屈服强度、抗拉强度均随回火温度的升高逐渐降低,与显微硬度变化趋势保持一致。在此回火温度范围内,均匀延伸率的变化并不明显,随回火温度的升高略有增加。结合强度、塑性指标可知,实验钢在450 ℃回火时,综合力学性能最为优异,硬度约为440 HV,屈服强度为1 180 MPa,抗拉强度为1 310 MPa,均匀延伸率为4.5%,总延伸率约为15%。

为了阐明实验钢在回火过程中的组织演变规律,利用SEM和EBSD对450 ℃、510 ℃和550 ℃ 3种回火温度下的显微组织特征进行观察,如图2和图3所示。由图2可以看出,实验钢被回火处理后,淬火马氏体已基本完全分解,形成铁素体和渗碳体的混合组织。450 ℃回火时,显微组织主要由铁素体、短棒状或薄片状渗碳体、少量细粒状渗碳体组成,如图2(a)和2(b)所示。大量铁素体仍保持板条状/针状,而部分区域铁素体呈等轴状,说明此时铁素体已发生了回复且部分区域发生了再结晶,显微组织包括回火屈氏体和少量回火索氏体。随着回火温度的升高,再结晶程度增大,多边形等轴铁素体逐渐增多。同时,渗碳体颗粒发生球化,逐渐失去析出初期的棒状或薄片状形态,与基体逐渐脱离共格/半共格关系。碳化物逐渐聚集长大,最终形成粗粒状渗碳体。随着温度的升高,回火屈氏体比例逐渐减小,回火索氏体逐渐增多。当回火温度为550 ℃时,显微组织包括多边形等轴铁素体、弥散分布的粗粒状渗碳体,形成典型的回火索氏体组织,如图2(e)和2(f)所示。

图2 不同回火温度下显微组织SEM形貌图

图3(a)、(c)、(e)为实验钢在不同回火温度时的显微组织EBSD质量图,图3(b)、(d)、(f)为实验钢的显微组织EBSD取向图。450 ℃回火时,显微组织形态以板条状为主,板条宽度为0.2～0.7 μm,平均尺寸约为0.46 μm。图3(a)中可以明显看到原奥晶界,尺寸约为22 μm。由对应的取向图可以看出,原奥氏体晶粒被取向不同的板条束分隔,明显细化了原奥晶粒。510 ℃回火时,组织逐渐多边形化呈等轴状,晶粒尺寸为0.3～1.1 μm,平均宽度约为0.7 μm。随着温度进一步提高至550 ℃,板条组织已基本消失,基体以等轴铁素体为主,晶粒尺寸为0.5～1.3 μm,平均尺寸约为0.9 μm。由EBSD结果可得,随温度升高,铁素体发生再结晶,逐渐多边形化,显微组织逐渐由回火屈氏体转变为回火索氏体,这与SEM分析结果基本一致。同时,由图3(b)、(d)、(f)可知,回火组织基本没有明显的取向性。

图3 不同回火温度下组织的EBSD分析图

2.2 回火时间对组织和性能的影响

回火时间对实验钢力学性能的影响如图4所示。450 ℃回火0.5 h时,强度最高,但塑性最差,屈服强度和抗拉强度分别是1 292 MPa和1 370 MPa,均匀延伸率和总延伸率分别为3%和10.7%。随着回火时间延长至2 h,强度略有降低,但塑性明显恢复。进一步延长回火时间,屈服强度约1 180 MPa,变化不大;抗拉强度由2 h时的1 310 MPa降低至6 h的1 260 MPa;均匀延伸率约3.7%～4.5%,总延伸率约15%,均变化不大。

图4 回火时间对实验钢力学性能影响曲线图

实验钢在450 ℃不同回火时间条件下的显微组织如图5所示。高倍下可以发现,回火0.5 h时,碳化物析出较少,呈薄片状或细粒状,尺寸较小。随着回火时间的延长,渗碳体完全析出。如图5(b)和5(c)所示,渗碳体呈弥散状分布于铁素体基体内,且相比于短时保温有明显的长大倾向。然而,回火2 h和4 h时的显微组织并无明显差别,这说明450 ℃回火时,当渗碳体析出且基体中碳含量降低至平衡值后,延长回火时间对力学性能并无明显改善。

2.3 实验结果分析

回火过程中马氏体中C质量分数降低,这也是其硬度降低的基本原因。由于淬火马氏体是碳高度过饱和的组织,因此这种组织是非常不稳定的。同时,较高位错密度和内应力的存在导致淬火组织具有极高的硬度,淬火后实验钢的硬度大于700 HV。而随后的回火过程,马氏体分解,C化物析出和转变,渗碳体形成与粗化,铁素体回复和再结晶,组织转变过程随温度的升高连续进行。回火温度较低或保温时间较短,元素的扩散迁移速度慢,渗碳体析出较少,多数C原子仍保留在晶格中,此时固溶强化起主要作用,因此组织具有较高的硬度和强度,但韧塑性较差。随着回火温度进一步提高,渗碳体加速形核,与基体逐渐脱离共格/半共格关系,此时弥散强化逐渐起主要作用,但其影响小于固溶强化的减弱,故硬度和强度降低。此外,渗碳体聚集球化,铁素体回复再结晶,进一步导致硬度的降低。而渗碳体与基体脱离共格关系,组织中内应力的降低,均有助于提高实验钢的韧塑性[11]。相比于较低温度回火处理,实验钢经550 ℃回火后强度和硬度虽然明显降低,但均匀延伸率有所提升。

图5 450 ℃回火不同时间显微组织的SEM形貌图

结合显微组织和力学性能分析可知,淬火实验钢在450 ℃回火2 h时的综合力学性能最佳。这是因为此时回火组织中同时包含回火屈氏体和回火索氏体。回火屈氏体仍保留一定的马氏体结构,因此硬度较高;而经过了回复和部分再结晶的回火索氏体则具有较好的韧塑性。2种组织的混合物,平衡了各自的优缺点,因此综合力学性能最佳。

3 结束语

(1)随着回火温度的升高,40CrNiMo钢的显微组织逐渐由回火屈氏体向回火索氏体转变。组织中渗碳体逐渐聚集球化,由薄片状或细粒状向粗粒状转变;而铁素体发生回复和再结晶,逐渐多边形化。当回火温度高于550 ℃时,组织是典型的回火索氏体组织。随着回火时间增长,40CrNiMo钢中渗碳体析出量越来越多,直到某个时间节点渗碳体全部析出,在此之后显微组织无明显差别。

(2)随着回火温度的升高和回火时间的延长,实验钢强度和硬度逐渐降低,而塑性有所恢复。实验钢在450 ℃回火2 h时的力学性能最优,硬度约为440 HV,屈服强度和抗拉强度分别是1 180 MPa和1 310 MPa,总延伸率约为15%。