深冷处理对45钢力学性能和尺寸稳定性的影响研究

张志春,王 飞,闫 凡,陈国瑞,吴广辉,翁泽钜,顾开选

(1.陕西铁路物流集团有限公司,陕西 西安 710076; 2. 湖南联诚轨道装备有限公司,湖南 株洲 412001;3. 中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所),北京 100190)

45钢是一种优质碳素结构钢,具有良好的机械性能且价格低廉,在机械制造领域应用非常广泛。但其最大的弱点是淬透性差,对于截面积较大的零件存在无法淬透的风险[1]。此外,在实际生产中45钢结构件往往会面临力学性能不足、耐磨性差和尺寸稳定性差等问题,从而严重影响结构件的服役性能。因此,采用合适的工艺方法进一步提高45钢的性能具有重要的意义。

热处理是获得材料服役性能的基础工艺,45钢通常采用淬火+高温回火的调质工艺获得相对优越的综合性能[2]。深冷处理技术是传统热处理的补充工艺,是将材料降温至一定的低温温度(≤-100 ℃),通过微观组织的进一步转变来实现材料性能的提升[3]。目前,深冷处理已广泛应用于工具钢、模具钢、轴承钢和合金结构钢等材料,能够有效提高材料的耐磨性[4-7]、尺寸稳定性[8-9]和综合力学性能[10-12]。大量研究表明,深冷处理能够促使淬火后组织中亚稳态的残余奥氏体转变为稳定的马氏体,并促使马氏体基体中析出超细碳化物颗粒,从而提高材料的性能,对于淬火后残余奥氏体含量越高的材料,深冷处理效果更加显著[13-14]。由于其热处理制度、微观组织转变等在不同类型的钢中存在明显的区别,因此深冷处理的工艺和效果也存在差别。目前关于45钢深冷处理工艺的研究和应用相对较少,对于其处理工艺、机理和效果还有待研究。本文对45钢采用深冷处理技术与传统的调质热处理相结合,研究不同的处理工序对45钢力学性能、尺寸稳定性和微观组织的影响,从而为45钢进行深冷处理的应用提供工艺指导。

1 试验材料与方法

试验原材料采用热轧退火态45钢棒材,直径为φ50 mm,其化学成分见表1。45钢的常规热处理工艺为淬火+高温回火[15],为了对比不同处理工序的影响,分别在淬火后回火前和淬、回火后增加深冷处理。具体的热处理工艺见表2。

表1 45钢化学成分(质量分数,%)

表2 热处理工艺

热处理后进行拉伸性能和冲击韧性检测。室温拉伸试验参照标准GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,拉伸试样尺寸如图1(a)所示;室温冲击试验参照标准GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》,U型缺口冲击试样尺寸如图1(b)所示,每种工艺分别检测三个试样。

图1 (a)拉伸试样和(b)U型缺口冲击试样尺寸图

尺寸稳定性检测采用中国科学院理化技术研究所提出的圆环三角法进行评价[16],圆环三角试样尺寸如图2所示。该试件具有壁薄、形状不规则、截面变化大等特点,热处理后试样不同位置残余应力分布不均匀,沿三角形底边切开后,残余应力释放将导致试样尺寸发生变化,通过θ角度及试样两侧面平行度开口前后的变化来评价试样的尺寸稳定性。

图2 圆环三角试样尺寸图

采用盲孔按照标准ASTM E837—2013对残余应力进行检测[17],残余应力检测试样尺寸为40 mm×40 mm×20 mm(长×宽×高)。采用RS200高速涡轮钻孔设备进行钻孔,采用BE(BA)120-2CD应变花测量钻孔后引起的应变,通过应变计算残余应力。采用SHBRV-187.5型数显布洛维硬度计检测试样硬度,每个试样检测四次,取平均值。金相试样经150#、400#、400#、800#、1000#和1500#砂纸逐级打磨后,再用金刚石抛光膏进行抛光并用酒精清洗表面,然后采用4%HNO3+96%C2H5OH酒精的腐蚀液进行表面侵蚀,侵蚀时间为4 s,采用日立S4300扫描电子显微镜进行微观组织观察。

2 试验结果及讨论

2.1 深冷处理对45钢力学性能的影响

热处理后45钢的硬度检测结果见表3。由表3可知,经不同热处理工艺后,试样的硬度变化较小,增加深冷处理后硬度略有提升。

表3 45钢的显微硬度

热处理后45钢的拉伸性能和冲击韧性检测结果见表4。由表4可知,淬火+深冷处理+回火工艺(QCT)对45钢的抗拉强度和屈服强度有一定的改善,与淬火+回火工艺(QT)相比,抗拉强度和屈服强度分别提高了33 MPa和65.3 MPa。淬火+回火+深冷处理工艺(QTC)对抗拉强度影响不明显,但屈服强度和冲击韧性略有降低。不同工艺对45钢的塑性影响不明显。因此,总体来看淬火+深冷处理+回火工艺对45钢的力学性能有一定的改善效果。

表4 45钢的力学性能

尽管45钢淬透性较差,由于本实验中拉伸试样尺寸较小能够完全淬透,淬火后残余奥氏体含量较少,因此,深冷处理促进残余奥氏体转变的效果并不明显。然而,对比淬火态和淬火+深冷态两种试样的残余应力检测结果,发现淬火后45钢表面残余应力最高达到-310 MPa;增加深冷处理后能够使表面压应力进一步增加,达到-470 MPa左右,如图3所示。因此,深冷处理不仅能促进残余奥氏体转变,还能增加材料的表面压应力。

图3 45钢淬火态(a)和淬火+深冷态(b)的表面残余应力

2.2 深冷处理对45钢尺寸稳定性的影响

采用圆环三角法对试样的尺寸稳定性进行评价,测量圆环三角开口前后角度的变化见表5。开口角度变化越大,说明试样初始残余应力较高,开口后残余应力释放引起的角度越大。由表5可知,淬火态(Q)试样开口后角度减小,且角度变化量相对较大。淬火过程中快速冷却必然会在试样内部产生不均匀的残余应力,通常表面呈压应力,心部呈拉应力分布;此外,淬火过程中发生了奥氏体向马氏体的转变,由于两种相比体积的差异,会在材料内部产生较大的组织应力,从而导致试样淬火后具有较高的残余应力水平。淬火后增加深冷处理(QC)改变了试样的残余应力分布,通常会使表面压应力增加,故而开口后角度明显增大。然而,高温回火过程中45钢发生了马氏体的分解和内应力的释放,试样整体处于无应力状态。因此,进行高温回火处理后试样的开口角度变化较小;但增加深冷处理会使开口角度变化量略有增加,由于淬、回火后进行深冷处理会增加试样的表面压应力。

表5 45钢圆环三角开口角度变化

2.3 深冷处理对45钢微观组织的影响

图4为不同工艺处理后45钢的微观组织。由图4可知,淬火+回火处理后,试样的组织为典型的回火索氏体,淬火马氏体在高温回火过程中分解为铁素体和渗碳体,见图4(a)和4(d)。淬火+深冷处理+回火处理后,试样组织更细,马氏体板条更加清晰和细化,弥散分布的细小碳化物颗粒明显增加,见图4(b)和4(e)。淬火后进行深冷处理为材料相变进一步提供了驱动力,少量的残余奥氏体会转变为马氏体,低温下产生的马氏体通常为细小的孪晶马氏体,在一定程度上起到了细化晶粒的作用。此外,从残余应力检测结果可知,淬火后增加深冷处理提高了45钢的表面压应力,内应力的增加提高了回火过程中碳原子扩散驱动力,从而能够进一步促使碳化物颗粒的析出。而淬火+回火处理后,45钢的组织相对较为稳定,增加深冷处理后金相组织无变化,见图4(c)和4(f)。

(a,d) 淬火+回火;(b,e) 淬火+深冷处理+回火;(c,f) 淬火+回火+深冷处理

3 结论

1)淬火+深冷处理+回火可提高45钢的抗拉强度和屈服强度,分别提高了33 MPa和65.3 MPa,对延伸率和冲击韧性影响不明显;淬火+回火+深冷处理后,45钢的屈服强度略有降低,对抗拉强度、延伸率和冲击韧性影响不明显。

2)圆环三角法能够有效评价45钢经不同热处理工艺的尺寸稳定性,淬火后试样残余应力较高,开口角度变化最大;淬火后深冷处理在试样表面增加了压应力,圆环开口后角度变化方向与淬火态相反,变化量相对较大;回火后所有试样开口角度显著减小。

3)淬火+深冷处理+回火可促使45钢的马氏体板条细化和碳化物颗粒析出增加;而淬、回火后增加深冷处理对45钢的金相组织影响不明显。