熱處理工藝對(duì)22SiMn2TiB鋼組織和性能的影響

陳林恒 劉洪武 王青峰 邢 雷 劉文闖 楊 柳

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 2100352；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；3.國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島 066004)

熱處理工藝對(duì)22SiMn2TiB鋼組織和性能的影響

陳林恒1劉洪武2,3王青峰2,3邢 雷2,3劉文闖2,3楊 柳1

(1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 2100352；2.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；3.國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北秦皇島 066004)

對(duì)22SiMn2TiB超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了不同工藝的熱處理，隨后對(duì)其進(jìn)行了拉伸、沖擊和硬度試驗(yàn)，以研究回火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響，并采用光學(xué)顯微鏡和透射電鏡研究了不同溫度回火后鋼的顯微組織。結(jié)果表明，在較低溫度回火能提高鋼的沖擊韌性；回火溫度升高，由于滲碳體的析出，會(huì)產(chǎn)生回火脆性，沖擊韌性降低。經(jīng)920 ℃淬火、225 ℃回火的試驗(yàn)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。

22SiMn2TiB超高強(qiáng)度鋼 回火 顯微組織 沖擊韌性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)防彈、防爆車輛需求量不斷增加，防護(hù)用鋼用量大大增加，高性能、低成本的防護(hù)用鋼有很大的市場(chǎng)需求。防護(hù)用鋼不僅需要有很高的強(qiáng)度，還需要具有較高的沖擊韌性，才能達(dá)到較好的防護(hù)性能[1]。22SiMn2TiB超高強(qiáng)度鋼具有高的強(qiáng)度和硬度，但沖擊韌性較低。一般認(rèn)為，鋼的強(qiáng)度和韌性是一對(duì)矛盾，提高強(qiáng)度會(huì)降低韌性，研究如何通過(guò)調(diào)整工藝，適當(dāng)降低強(qiáng)度來(lái)提高沖擊韌性，使材料具有良好的綜合力學(xué)性能，具有重要意義[2]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

參照GJB 1496A- 2000標(biāo)準(zhǔn)制定試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分，如表1所示。

試驗(yàn)鋼采用50 kg真空試驗(yàn)爐冶煉，采用高溫軋制將鑄錠軋制成20 mm厚的鋼板。坯料的加熱溫度設(shè)為(1 200±20) ℃，保溫時(shí)間2 h以上。初軋溫度高于1 150 ℃，終軋溫度高于1 050 ℃，軋后空冷。試驗(yàn)鋼軋態(tài)組織為貝氏體和鐵素體，如圖1所示。鋼的熱處理工藝為：淬火加熱溫度920 ℃，保溫50 min水淬；回火溫度175～375 ℃，保溫時(shí)間70 min，空冷。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 試驗(yàn)鋼的軋態(tài)組織

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

采用線切割將試驗(yàn)鋼加工成橫截面為矩形的平板狀拉伸試樣，在INSTON5982試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣標(biāo)距為20 mm，應(yīng)變速率為10-3s-1；取三個(gè)尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口沖擊試樣，在JB- 300B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗(yàn)；在尺寸為40 mm×40 mm×20 mm的試樣拋光面的不同部位測(cè)定硬度，取平均值作為該試驗(yàn)鋼的硬度值。

1.2.2 微觀組織表征

取10 mm×10 mm的方形試樣，經(jīng)過(guò)打磨、拋光后，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織；用線切割切出厚約300 μm的薄片，經(jīng)砂紙打磨減薄到30 μm以下，而后沖切成φ3 mm的圓片，再用雙噴電解法進(jìn)一步減薄，制成薄膜試樣，在JOEL- 2010型透射電鏡下觀察其基體組織及析出相；采用S- 3400型掃描電鏡對(duì)沖擊試樣斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 力學(xué)性能

分別對(duì)淬火和回火態(tài)的試驗(yàn)鋼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示，括號(hào)內(nèi)為平均值。

表2 試驗(yàn)鋼在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

圖2 試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能隨回火溫度的變化

由圖2可以看出， 試驗(yàn)鋼淬火后的沖擊吸收功較低，經(jīng)低溫回火后有所提高，225 ℃回火后達(dá)到最大值，回火溫度繼續(xù)升高，沖擊吸收功下降；隨著回火溫度的升高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度和硬度逐漸降低，375 ℃回火使硬度明顯降低。

2.2 顯微組織

圖3是試驗(yàn)鋼淬火態(tài)顯微組織，全部為馬氏體，表明試驗(yàn)鋼的淬透性良好。

圖4為試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織，可以看出，回火溫度較低時(shí)，馬氏體板條分解較少，強(qiáng)度和硬度下降較少；在375 ℃回火板條分解增多，所以強(qiáng)度和硬度下降較明顯。

2.3 回火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼沖擊斷口形貌的影響

試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后的沖擊斷口形貌如圖5所示。

圖3 試驗(yàn)鋼的淬火態(tài)顯微組織

圖4 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織

圖5 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后沖擊斷口的掃描電鏡圖

由圖5可見(jiàn)，試驗(yàn)鋼經(jīng)175～225 ℃回火后，其沖擊試樣斷口上有少量撕裂棱，為準(zhǔn)解理型斷裂。由于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變程度較低，其含量較高，所以沖擊吸收功相對(duì)較高，有一定的韌性儲(chǔ)備。當(dāng)回火溫度高于225 ℃時(shí)，斷口解理面逐漸增多，撕裂棱逐漸變少，沖擊吸收功逐漸降低[3]。

2.4 回火組織的透射電鏡觀察

為了進(jìn)一步分析試驗(yàn)鋼回火過(guò)程中的組織變化，采用透射電鏡對(duì)試驗(yàn)鋼的回火態(tài)顯微組織進(jìn)行了觀察，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)鋼經(jīng)不同溫度回火后的顯微組織透射電鏡觀察

由圖6可知，試驗(yàn)鋼經(jīng)175 ℃回火后，晶界處無(wú)碳化物析出；隨著回火溫度升高，析出的ε碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，375 ℃回火的試樣有較多滲碳體生成[4]。

3 討論

淬火態(tài)試驗(yàn)鋼由于內(nèi)應(yīng)力較大，沖擊吸收功較低，在175～225 ℃回火，主要是消除應(yīng)力。隨著回火溫度升高，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，這個(gè)階段馬氏體開(kāi)始分解，殘留奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變，析出相形成并開(kāi)始長(zhǎng)大，韌性有所提高，馬氏體板條及馬氏體內(nèi)部位錯(cuò)密度逐漸減少，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度逐漸降低。

在225～375 ℃回火，隨著馬氏體板條的不斷分解，鋼的強(qiáng)度、硬度繼續(xù)降低，硬度降低更為明顯；殘留奧氏體不斷分解轉(zhuǎn)變，析出的ε碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體；375 ℃回火的試樣有較多滲碳體生成，產(chǎn)生第一類回火脆性，導(dǎo)致試驗(yàn)鋼沖擊韌性下降[5]。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)920 ℃淬火、175～375 ℃回火的22SiMn2TiB超高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度隨著回火溫度的升高而逐漸降低，沖擊吸收功則先升高后降低。在225 ℃回火的試驗(yàn)鋼的綜合力學(xué)性能最好。

(2)該試驗(yàn)鋼回火溫度低于225 ℃時(shí)，由于內(nèi)應(yīng)力得到釋放，馬氏體位錯(cuò)密度降低，鋼的沖擊吸收功升高；高于225 ℃回火時(shí)，析出的ε碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，375 ℃回火時(shí)晶界處有較多碳化物析出，導(dǎo)致裂紋敏感性增大，產(chǎn)生第一類回火脆性，鋼的沖擊韌性下降。

[1] 萬(wàn)潤(rùn)根,周細(xì)應(yīng),羅軍明. 防彈鋼盔用鋼的熱處理工藝[J]. 航空制造技術(shù),2002(5):61-62.

[2] 萬(wàn)潤(rùn)根,周細(xì)應(yīng),羅軍明. 40CrMnSiMoVA鋼的熱處理工藝與性能[J]. 航天工藝,2001(5):4- 6.

[3] 孫通,余建波,李傳軍,等. 回火工藝對(duì)含氮不銹鋼30Cr15MoVN組織和性能的影響[J]. 上海金屬,2015,37(4):30- 33.

[4] 張文鳳. 超高硬韌性耐磨鑄鋼的研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué),2010.

[5] 張睿,崔福洪. 合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSi回火脆性分析及消除措施[J]. 科技風(fēng),2010(15):254- 255.

收修改稿日期：2016- 10- 31

Effect of Heat Treatment Process on Microstructure and Mechanical Properties of 22SiMn2TiB Steel

Chen Linheng1Liu Hongwu2,3Wang Qingfeng2,3Xing Lei2,3Liu Wenchuang2,3Yang Liu1

(1. Nanjing Iron & Steel Co.,Ltd, Nanjing Jiangsu 2100352, China; 2. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China; 3. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Qinhuangdao Hebei 066004, China)

22SiMn2TiB ultra- high strength steel was heat treated by different processes, then was subjected to tension, impact and hardness tests to reveal the effect of tempering temperatures on its mechanical properties. The microstructure of the steel was investigated by using OM and TEM. The results showed that the steel tempered at lower temperature offered higher impact toughness, and that as the tempering temperature increased the impact toughness reduced because of temper brittleness caused by precipitation of cementite in the steel. The investigated steel quenched from 920 ℃ and tempered at 225 ℃ showed good comprehensive mechanical properties

22SiMn2TiB ultra- high strength steel，tempering，microstructure，impact toughness

陳林恒，男，博士，從事耐磨鋼、超高強(qiáng)鋼和防護(hù)鋼等產(chǎn)品研發(fā)，Email：chenlinheng@njsteel.com.cn