鋁對高碳鉻鋼熱處理后的組織和性能的影響

鄧素懷 馬 躍 張慧峰 呂迺冰

(1.首鋼集團有限公司技術研究院，北京 100043；2.綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 100043)

高碳鉻鋼是過共析珠光體鋼，因為其硬度高、耐磨性好，廣泛應用于軸承、模具及釬具等領域。軸承是一種重要的機械零件，要求具有良好的疲勞壽命，因此其材質必須具有高的純凈度。隨著汽車材料輕量化技術的發展，減輕作為汽車傳動件的軸承的重量也受到了關注[1- 2]。材料減重的手段之一是添加一定量的鋁等輕金屬元素[3- 4]。鋼中添加的鋁除了本身的合金化作用，如代替硅起固溶強化作用外，其低的原子量可降低鋼的密度。高碳鉻鋼常用的熱處理工藝為預備熱處理—退火(球化退火)和最終熱處理—淬火、低溫回火，因此研究添加了鋁元素的高碳鉻鋼經常規工藝熱處理后的組織和力學性能，為確定含鋁高碳鋼的合適的熱處理工藝提供參考就顯得十分必要。

1 試驗材料和方法

試驗用鋼采用50 kg真空感應爐冶煉，澆注成50 kg鑄錠。將鋼錠去除冒口，在實驗室550軋機上軋制成15 mm厚的鋼板，終軋溫度為900 ℃，軋后空冷。試驗用鋼的化學成分見表1。其中1號鋼為添加4 %Al(質量分數，下同)的高碳鉻鋼，2號鋼為不含鋁的高碳鉻鋼。

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction) %

采用DIL402C型熱膨脹儀測定試驗鋼的相變點，升溫和降溫速度為3 ℃/min，結果見表2。根據測得的相變點及熱處理手冊[5]中的規范確定鋼的熱處理工藝。1號鋼的球化退火工藝為：隨爐加熱到790 ℃保溫1 h，爐冷至720 ℃保溫6 h，爐冷至650 ℃空冷；淬火、回火工藝為：820 ℃油淬，150 ℃回火。2號鋼的球化退火工藝為：850 ℃保溫2 h，爐冷至700 ℃保溫5 h，爐冷至650 ℃空冷；淬火、回火工藝為：920 ℃油淬，150 ℃回火。試樣經過球化處理后再進行淬火、回火。

表2 試驗用鋼的相變點 Table 2 Transformation temperatures of the tested steels ℃

采用HB- 3000型布氏硬度計和LM300AT顯微硬度計測量經不同工藝熱處理后鋼的硬度，維氏硬度試驗力為200 g。采用DMI5000型光學顯微鏡和S- 3400N電子顯微鏡觀察組織形貌，用D8型X射線衍射儀測量殘留奧氏體量。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

試驗鋼的球化退火組織如圖1所示，均為片狀珠光體。在掃描電鏡下觀察發現，1號鋼碳化物多為短棒狀，長度約1 μm，散布在基體中，在光學顯微鏡下經侵蝕后的鐵素體呈白色針狀；2號鋼的碳化物多為球狀，直徑小于1 μm，彌散分布在鐵素體基體中，數量較多。

圖1 (a, b)1號和(c, d)2號鋼的球化退火態組織Fig.1 As- spheroidized microstructures of the steels (a, b) No1 and (c, d) No2

試驗鋼的淬火、回火組織如圖2所示，1號鋼為馬氏體組織，2號鋼為隱晶馬氏體和彌散分布的碳化物。采用掃描電鏡進一步觀察，結果如圖3所示。1號鋼為針狀馬氏體組織，沒有碳化物析出，2號鋼有大量碳化物。兩者的淬火、回火組織差別較大，而球化組織比較近似。

2.2 硬度

圖2 (a) 1號和(b)2號鋼的淬火和回火態組織Fig.2 Microstructures of the steels (a) No1 and (b) No2 quenched and tempered

圖3 (a)1號和(b)2號鋼的淬火和回火態SEM組織Fig.3 SEM microstructures of the steels (a) No1 and (b) No2 quenched and tempered

經不同工藝熱處理的試驗鋼的硬度如表3所示。球化退火后，1號鋼的硬度比2號鋼約高60 HBW，球化處理并淬火后，1號鋼的硬度比2號鋼約低200 HV0.2以上。 球化組織是鐵素體基體與球狀碳化物的混合組織，其硬度決定于基體。1號鋼中鋁含量高，鋁固溶于鐵素體基體，起固溶強化的作用，因此1號鋼的球化退火態硬度較2號鋼高。

表3 不同熱處理狀態試驗鋼的硬度Table 3 Hardness of the tested steels in different heat treatment conditions

淬火馬氏體的強度除了與碳含量有關，還與殘留奧氏體含量有關。試驗鋼不同熱處理狀態的殘留奧氏體體積分數如表4所示。1號鋼的殘留奧氏體體積分數較高為14.6%，比2號鋼約高5%；回火后殘留奧氏體體積分數增加了約3%。2號鋼的殘留奧氏體體積分數較低為9.4%，回火后降低了3%。通常，鋼在淬火后，隨著殘留奧氏體量的增加，其強度和硬度降低[6]，因此1號鋼的淬火硬度低于2號鋼。

表4 試驗鋼在不同熱處理狀態的殘留奧氏體體積分數Table 4 Retained austenite volume fraction in the tested steels in different heat treatment conditions %

3 討論

將鋁作為合金元素加入高碳鉻鋼中，一是基于鋁降低鋼的密度的特性，另一方面是基于鋁對熱處理組織和性能的影響。采用合適的工藝流程可將鋁的多方面作用發揮出來。鋼中添加鋁首先是提高相變溫度，如表2所示。1號鋼的相變溫度比2號鋼高，如Ac1提高了約60 ℃，同時兩相區溫度范圍由20 ℃擴大到了100 ℃，將使相應的熱處理溫度提高50～100 ℃。

鋁是鐵素體形成元素，在鋼中的作用與硅類似，對鐵素體基體起固溶強化作用。一般說，添加1%的合金元素可得到數十MPa的強度增量[7]，目前對鋁的固溶強化效果研究還比較少。根據文獻[7]列舉的鋼中固溶強化效果的增量與固溶原子的大致關系可以看出，鋁和鎳的強度增量近似，而每1%的鎳在鐵素體中產生的強度增量為33 MPa，據此可知4%的鋁的固溶強化的強度增量為132 MPa。1號鋼的球化退火態硬度增量約60 HBW，根據硬度與強度換算的線性關系[8]，相當于強度增量為200 MPa，可見按文獻計算的鋁的固溶強化產生的強度增量與試驗結果比較接近。球化退火組織是鐵素體基體，因此可以用低碳鋼的固溶關系來估算鋁的固溶強化效果。顯然，當鋁作為合金元素添加時，其固溶強化效果不容忽視。

1號鋼的球化組織的另一個特點是碳化物數量明顯減少，形狀也以短棒狀為主。球化退火的機制是將鋼加熱到兩相區，獲得不均勻奧氏體和大量細小的殘留碳化物，作為碳化物形核的非自發核心，在隨后的等溫過程發生碳擴散，碳化物逐漸長大。根據經典固態相變理論，鋼中存在鋁、碳原子的微區成分起伏，由于鋁是非碳化物形成元素，在鋁原子富集的微區將形成“貧碳區”，在該貧碳區周圍，碳化物長大過程被中斷，從而形成了短棒狀的碳化物形貌。

淬火、回火處理后，1號鋼的粒狀碳化物完全消失，說明在920 ℃奧氏體化溫度下，碳化物回溶到了基體中，而測得的Ac3為920 ℃，說明此時已接近完全奧氏體化。而2號鋼碳化物完全回溶則需在900 ℃以上[9]。

淬火及回火后的馬氏體含碳量可以按式(1)計算[10]：

c0/a0=1+0.046 7p

(1)

式中：c0/a0為馬氏體的正方度，p為馬氏體含碳量。

可見，馬氏體含碳量與正方度成正比關系，鋁元素會使點陣常數增大，使淬火后馬氏體含碳量提高。文獻[1]的研究結果也表明，鋁使淬火并于200 ℃回火后的馬氏體含碳量由2.2%增加到4.6%，這也間接說明鋁的添加使碳、鉻元素發生了二次分配，碳化物中的含碳量減少，導致碳化物數量減少、易于回溶。所以含鋁高碳鉻鋼的淬火溫度的確定不能簡單地根據相變點，需通過進一步的試驗研究來確定合適的淬火溫度，以保留適量的碳化物。

從最終熱處理淬火、回火后的組織和硬度看，1號鋼球化退火后的高硬度在隨后淬火、回火后沒有體現出來，淬火硬度反而明顯降低。雖然淬火硬度仍滿足軸承零件的要求，但是添加4 %Al的強化作用還需發揮出來以提高耐磨性。同時1號鋼殘留奧氏體含量偏高，這是含鋁高碳鉻鋼在應用時面臨的比較普遍的問題[1,10]。殘留奧氏體量影響零件的尺寸穩定性，通常應控制在10 %左右，穩定殘留奧氏體也是制定含鋁高碳鉻鋼熱處理工藝時需要考慮的問題。

由上述討論可以看出，含鋁高碳鉻鋼采用常規的球化退火和淬火、回火工藝難以達到已普遍使用的不添加鋁的高碳鉻鋼的熱處理組織和硬度，還需對有關熱處理工藝做進一步的試驗研究。

4 結論

(1)含4%Al的高碳鉻鋼的球化退火組織中碳化物為短棒狀，數量少；球化退火態硬度比不含鋁的高碳鉻鋼約高60 HBW。

(2)含4%Al的高碳鉻鋼的淬火、回火組織為馬氏體，淬火、回火后的硬度比不含鋁的鋼約低200 HV，殘留奧氏體體積分數高5%以上。

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收修改稿日期：2017- 07- 12