淬火分配工藝對(duì)低碳低合金鋼組織與性能的研究

豐 璞,黃維剛

(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 610065)

淬火分配工藝對(duì)低碳低合金鋼組織與性能的研究

豐 璞,黃維剛

(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 610065)

研究了0.15C-Mn-Si-Cr低碳低合金鋼在Ms點(diǎn)以下不同溫度預(yù)淬火-碳分配工藝(Q&P工藝)及貝氏體轉(zhuǎn)變對(duì)鋼組織與性能影響。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)鋼經(jīng)Q&P處理后獲得貝氏體/馬氏體復(fù)相組織,與淬火回火鋼相比能獲得更多的殘余奧氏體量,隨著淬火碳分配溫度的升高,鋼中殘余奧氏體量增加,等溫溫度超過(guò)310℃后,鋼中析出碳化物,殘余奧氏體量減少。在250℃預(yù)淬火溫度等溫碳分配淬火,鋼的沖擊韌性顯著高于傳統(tǒng)的淬火回火鋼。

Q&P工藝;殘余奧氏體;顯微組織;力學(xué)性能;貝氏體轉(zhuǎn)變

1 引言

Speer等[1,2,3]受TRIP鋼的啟發(fā)提出了淬火和碳分配(Quenching and Partitioning,Q&P)工藝,在室溫下獲得了由馬氏體和殘余奧氏體組成的復(fù)相組織,顯示了較高的強(qiáng)度和良好的塑性及韌性。傳統(tǒng)的Q&P工藝是先將鋼完全奧氏體化以后快冷到MS點(diǎn)與Mf點(diǎn)之間的TQ溫度來(lái)獲得一定量的馬氏體,然后在TQ溫度(一步法)或更高的溫度TP(兩步法)等溫進(jìn)行碳原子的配分[4]。目前國(guó)內(nèi)外的Q&P工藝主要針對(duì)中碳鋼,在較低溫度預(yù)淬火后,再在較高溫度進(jìn)行碳分配的兩步法Q&P工藝[5,6,7,8],這有利于碳原子從馬氏體中擴(kuò)散到未轉(zhuǎn)變的奧氏體中,提高奧氏體的穩(wěn)定性。但是兩步法工藝復(fù)雜,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)上適用性較差。近年來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)了在Ms點(diǎn)以下的溫度等溫可獲得貝氏體組織,稱為低溫貝氏體。這是貝氏體轉(zhuǎn)變向馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的延續(xù)。這種組織具有較高的強(qiáng)度和韌性[9,10,11]。本研究采用0.15C-Mn-Si-Cr系低碳低合金鋼,研究較長(zhǎng)時(shí)間的碳分配一步Q&P工藝,探討在Ms點(diǎn)以下長(zhǎng)時(shí)間等溫的貝氏體轉(zhuǎn)變及碳分配對(duì)鋼微觀組織和力學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1所示。試驗(yàn)用鋼在30 kg真空感應(yīng)熔煉爐冶煉,然后將鑄錠在1200～1250℃的溫度范圍內(nèi)保溫一定時(shí)間,然后鍛成25 mm×65 mm×100 mm方坯。利用膨脹法測(cè)得實(shí)驗(yàn)鋼的Ac3為865℃,MS點(diǎn)為390℃。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(wt%)

本研究的熱處理工藝見圖1所示。QT為普通的淬火回火工藝,將試樣在940℃奧氏體化,保溫20 min后油冷,隨后在260℃進(jìn)行回火2 h處理。一步Q&P工藝的奧氏體化溫度為940℃,保溫20 min后淬入Ms點(diǎn)以下不同溫度的鹽浴中等溫1 h,最后空冷至室溫,不進(jìn)行回火,等溫碳分配溫度為250℃、280℃、310℃、340℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)鋼不同工藝(a)QT;(b)一步Q&P熱處理流程圖

沖擊韌度測(cè)試采用55 mm×10 mm×10 mm V型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣,在JB-300B型沖擊機(jī)上測(cè)定。拉伸強(qiáng)度測(cè)試采用標(biāo)距為20 mm,寬6 mm,厚4 mm的板狀拉伸試樣,在DDL100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定。熱處理后的試樣研磨拋光后經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕,使用S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀組織,并采用DX-2600型X射線衍射儀測(cè)定鋼中的殘余奧氏體含量。殘余奧氏體含量采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算[12?：

式中：Vγ—奧氏體相體積分?jǐn)?shù);

Iα—鐵素體(211)晶面衍射峰積分強(qiáng)度;

Iγ—奧氏體(220)晶面衍射峰積分強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀組織

圖2為淬火回火與一步Q&P工藝處理后樣品的掃描電鏡下的微觀組織。由圖2(a)可見,淬火回火工藝處理后的組織為典型的板條狀馬氏體。經(jīng)不同預(yù)淬火溫度的Q&P工藝處理后的組織發(fā)現(xiàn),預(yù)淬火溫度為250℃時(shí),組織為板條馬氏體組織,與淬火回火的組織相似。淬火溫度為280℃和310℃時(shí),發(fā)現(xiàn)組織中存在少量的貝氏體組織,見圖2(cd)所示,組織為馬氏體和貝氏體復(fù)相組織。在碳分配的過(guò)程中,先形成等溫馬氏體,然后再發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。淬火溫度與馬氏體量的關(guān)系由公式(2)給出[13]。

表2 不同淬火溫度下的馬氏體體積分?jǐn)?shù)

圖3為不同工藝下實(shí)驗(yàn)鋼的XRD圖譜。由圖可見,淬火回火鋼的組織中只存在α相的衍射峰,這表明低碳含量鋼的Ms點(diǎn)較高,淬火后奧氏體基本上全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。Q&P處理后的試樣中均發(fā)現(xiàn)有奧氏體的衍射峰,表明組織中存在殘余奧氏體。根據(jù)圖2可知,組織為貝氏體,馬氏體和殘余奧氏體的三相組織。表3為殘余奧氏體(Vγ)的計(jì)算結(jié)果,可以看出,隨預(yù)淬火的溫度升高,殘余奧氏體含量增加,預(yù)淬火溫度為310℃時(shí),殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值7.5%,隨后殘余奧氏體的含量降低。這是由于在一定的等溫分配的溫度下,碳有較充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散,碳從馬氏體中分配到奧氏體使得奧氏體穩(wěn)定,而且由于Si抑制碳化物的作用,在等溫溫度較低時(shí)沒有碳化物的析出,使殘余奧氏體得以保留。預(yù)淬火溫度過(guò)高時(shí),馬氏體轉(zhuǎn)變量減少,未轉(zhuǎn)變的奧氏體不能從馬氏體中分配到足夠的碳,奧氏體穩(wěn)定性不足,隨等溫時(shí)間的增加,貝氏體轉(zhuǎn)變量增多,而且較高的溫度使Si的抑制碳化物析出作用消失,促進(jìn)了碳化物析出,結(jié)果殘余奧氏體含量降低。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,合適溫度的等溫分配工藝可以提高奧氏體的穩(wěn)定性,獲得較多的殘余奧氏體。

圖2 (a)QT;不同淬火溫度(b)250℃;(c)280℃;(d)310℃;(e) 340℃實(shí)驗(yàn)鋼的掃描電鏡形貌

表3 不同熱處理工藝鋼殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)

圖3 淬火回火工藝與一步Q&P處理工藝鋼的XRD衍射圖譜

3.2 強(qiáng)塑性和韌性

對(duì)不同熱處理工藝進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊韌性實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表4。從表4中的結(jié)果可知,淬火回火鋼的強(qiáng)度最高,達(dá)到了1281 MPa,延伸率為18.6%。Q&P鋼的強(qiáng)度隨著預(yù)淬火溫度的上升而降低,預(yù)淬火溫度為250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度稍低于淬火回火鋼,達(dá)到1268 MPa。從沖擊韌性的結(jié)果可見,等溫碳分配工藝在250℃和280℃預(yù)淬火溫度條件下的沖擊韌性均勻高于淬火回火鋼,其中250℃等溫分配鋼的韌性最高,達(dá)到115 J。等溫分配溫度超過(guò)280℃,沖擊韌性明顯降低,甚至低于淬火回火鋼。原因可能是等溫溫度較高時(shí),組織中析出的碳化物和組織長(zhǎng)大導(dǎo)致韌性降低。

表4 不同熱處理工藝鋼的力學(xué)性能

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,低碳低合金鋼采用250℃和280℃預(yù)淬火溫度等溫碳分配淬火工藝,在等溫碳分配過(guò)程中,發(fā)生了貝氏體轉(zhuǎn)變,形成了貝氏體與馬氏體的復(fù)相組織。而且碳的分配有利于提高奧氏體的穩(wěn)定性,增加殘余奧氏體的含量,使鋼的沖擊韌性明顯提高。等溫溫度較高時(shí),由于碳化物的析出和組織長(zhǎng)大的原因,使沖擊韌性降低。

4 結(jié)論

通過(guò)研究低碳低合金鋼一步Q&P工藝對(duì)鋼的組織和強(qiáng)韌性的關(guān)系,得到如下的結(jié)論：

(1)在Ms以下一定的溫度等溫碳分配過(guò)程中,有貝氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生,結(jié)果獲得貝氏體/馬氏體復(fù)相組織。

(2)隨等溫碳分配溫度的提高,鋼中的殘余奧氏體含量增加,等溫溫度超過(guò)310℃時(shí),出現(xiàn)明顯的碳化物析出,使殘余奧氏體含量降低。

(3)在250℃預(yù)淬火溫度等溫碳分配淬火,鋼的沖擊韌性顯著高于傳統(tǒng)的淬火回火鋼。

[1] Speer J,Matlock D K,Cooman B C D,et al.Carbon partitioning into austenite after martensite transformation[J].Acta Materialia,2003,51(9)：2611-2622.

[2] Speer J G,Edmonds D V,Rizzo F C,et al.Partitioning of carbon from supersaturated plates of ferrite,with application to steel processing and fundamentals of the bainite transformation[J].Current Opinion in Solid State&Materials Science,2004,8(3)：219-237.

[3] Speer J G,Assuncao F C R,Matlock D K,et al.The“quenching and partitioning”process：background and recent progress[J].Materials Research,2005,8(8).

[4] Li H Y,Lu X W,Wu X C,et al.Bainitic transformation during the two-step quenching and partitioning process in a medium carbon steel containing silicon[J]. Materials Science&Engineering A,2010,527(23)：6255-6259.

[5] 朱 帥,鄺 霜,姜英花,等.熱處理工藝對(duì)Q&P鋼組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2013(10)：1-4.

[6] 陳連生,楊 棟,田亞強(qiáng),等.配分溫度對(duì)低碳高強(qiáng)Q&P鋼組織及力學(xué)性能影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào), 2014,35(1)：55-59.

[7] 莊寶潼,唐 荻,江海濤,等.Q&P鋼配分過(guò)程中的組織演變[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(11)：1288 -1293.

[8] Li X G,Zhao A M,Zheng H H,et al.Study of the Microstructure and Mechanical Properties of a Medium Manganese Quenching and Partitioning(Q&P)Steel [C]//Materials Science Forum.2016：659-663.

[9] Zhao L,Qian L,Meng J,et al.Below-Ms,austempering to obtain refined bainitic structure and enhanced mechanical properties in low-C high-Si/Al steels[J]. Scripta Materialia,2016,112：96-100.

[10]Bohemen S M C V,Santofimia M J,Sietsma J.Experimental evidence for bainite formation below M s,in Fe-0.66C[J].Scripta Materialia,2008,58(6)：488 -491.

[11]Hase K,Garcia-Mateo C,Bhadeshia H K D H. Bimodal size-distribution of bainite plates[J].Materials Science&Engineering A,2006,438(9)：145-148.

[12]Gao G,Zhang H,Tan Z,et al.A carbide-free bainite/ martensite/austenite triplex steel with enhanced mechanical properties treated by a novel quenching-partitioning-tempering process[J].Materials Science&Engineering A,2013,559(1)：165-169.

[13]Tan X,Xu Y,Yang X,et al.Microstructureproperties relationship in a one-step quenched and partitioned steel[J].Materials Science&Engineering A, 2014,589(2)：101-111.

[14]陳連生,趙 遠(yuǎn),田亞強(qiáng),等.配分時(shí)間對(duì)低碳高強(qiáng)Q&P鋼組織及力學(xué)性能影響[J].熱加工工藝,2013, 42(20)：63-66.

Study of Quenching and Partitioning Process on the Microstructure and Mechanical Properties of Low-carbon and Low-alloy Steel

FENG Pu,HUANG Weigang
(College of Material Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China)

The effect of quenching and partitioning(Q&P)process with different partitioning temperature below Ms and bainite transformation on the microstructure and mechanical properties of 0.15C-Mn-Si-Crlow-carbon and lowalloy steel were investigated.The results showed that the bainite and martensitemixed microstructure is obtained by Q&P process.With the increase of the partitioning temperature,the volume fraction of retained austenite increases and the volume fraction of retained austenite decreases due to the precipitation of carbides when the partitioning temperature is higher than 310℃.A highervolume fraction of retained austenite can be obtained than the traditional quenching and tempering(QT)steel.The toughness of the steel quenched and partitioned at 250℃has been improved significantlycompared with the traditional QT steel.

quenching and partitioning process,retained austenite,microstructure,mechanical properties, bainite transformation

TG161

A

1001-5108(2017)04-0007-03

豐璞,碩士研究生,主要從事合金鋼組織與性能方面的研究。

黃維剛,教授。