熱處理工藝對機(jī)械工程用鋼組織性能的影響

游亮

摘要：高性能工程機(jī)械用鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的沖擊韌性。廣泛用于礦山開采和各類工程機(jī)械設(shè)備中，能夠很好地改善機(jī)械的使用壽命和施工效率，增加安全性。利用金相顯微鏡、拉伸等實(shí)驗(yàn)方法，研究了回火工藝對600MPa級機(jī)械工程用鋼組織和性能的影響。結(jié)果表明，隨著回火溫度的提升，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度、硬度、伸長率都會呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；強(qiáng)度和硬度均在650℃達(dá)到最大值后急劇下降，伸長率則在600℃達(dá)到最大值，隨后下降；基于強(qiáng)度和低溫沖擊韌性的綜合考量，600℃回火30min的熱處理工藝較合理。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械用鋼；回火工藝；機(jī)械性能；顯微組織

一、引言

近年來，工程機(jī)械業(yè)行業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，提升了工程機(jī)械用鋼的需求量，這些增量將不斷地支撐起工程機(jī)械用鋼的巨大平臺[1]。對工程機(jī)械產(chǎn)品而言，用鋼成本約占總成本的30%，降低材料成本或使用高性能鋼材用于工程機(jī)械是企業(yè)的良好選擇，有其市場驅(qū)動力[2]。受力結(jié)構(gòu)件大約占到整體質(zhì)量的40% ～60%，加強(qiáng)鋼的力學(xué)性能，可以降低產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成的占比，從而提高使用效益，節(jié)省能源，增加安全性[3]。但還存在著機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件在使用的過程中，會承受錯綜變化的周期性載荷，因此其用鋼材除了要具備高強(qiáng)度外，也需要考慮高的疲勞強(qiáng)度、好的沖擊韌性、冷成形性以及良好的焊接性能。中國的工程機(jī)械與國際接軌，朝著大型化、輕量化發(fā)展，對鋼鐵產(chǎn)品性能的要求也是越來越高[4]。

國外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)如JFE、SSAB開發(fā)的工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼種類多、產(chǎn)品質(zhì)量好，具有強(qiáng)度高的、韌性好、極優(yōu)的焊接性等特征。國內(nèi)工程機(jī)械用高級別強(qiáng)度鋼的研究起步較晚，強(qiáng)度級別和產(chǎn)品種類質(zhì)量都與其他國家存在差距[5]。引進(jìn)這方面的產(chǎn)品工藝近20年后，工程機(jī)械用鋼打破了A3和16Mn鋼的低級別狀態(tài)，升級換代才提上日程[7]。目前，人們根據(jù)不同強(qiáng)度級別開發(fā)出了4個鋼級（60kg、70kg、80kg、100kg）。

本課題主要研究熱處理工藝對工程機(jī)械用鋼顯微組織與力學(xué)性能影響。對600MPa級工程機(jī)械用鋼進(jìn)行回火處理，研究了回火工藝對其力學(xué)性能和顯微組織的影響及相關(guān)機(jī)理，并獲得試驗(yàn)鋼最佳的回火溫度。

二、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用鋼選取了3mm厚度規(guī)格600MPa級機(jī)械工程用鋼，具體的化學(xué)成分見表1。

首先取好樣品（3mm試樣16塊），然后進(jìn)行熱處理，隨爐升溫，550/600/650/700℃，保溫20或30分鐘，在空氣中冷卻，最后進(jìn)行檢測分析。

將試驗(yàn)鋼試樣，鑲樣后研磨、拋光，用4%的硝酸-酒精溶液侵蝕，使用Leica DMI 5000M型金相顯微鏡觀察分析顯微組織。根據(jù)GB/T 228-2002將實(shí)驗(yàn)鋼加工成拉伸試樣，用PTSA 100A型萬能試驗(yàn)機(jī)測試實(shí)驗(yàn)鋼的機(jī)械性能，用維氏硬度計(jì)測定實(shí)驗(yàn)鋼的硬度，記錄測試結(jié)果和顯微組織。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）回火溫度對600MPa級機(jī)械工程用鋼顯微組織的影響

圖3.1為試驗(yàn)鋼原始金相組織照片，回火前試樣的顯微組織主要是由馬氏體和殘余奧氏體組成，以馬氏體為主，組織較細(xì)小。試樣通過550℃保溫20min回火處理后，由圖3.2（a）看出回火前后組織轉(zhuǎn)變不明顯，可以看到明顯的板條構(gòu)造，在板條貝氏體的內(nèi)部組織之中可以觀察到各個區(qū)域。當(dāng)溫度上調(diào)到600℃時，如圖3.2（b）所示，鋼中板條貝氏體的量下降，M-A島也發(fā)生了明顯的分解，出現(xiàn)了較明顯的細(xì)粒狀滲碳體和鐵素體。當(dāng)回火溫度提高到650℃后，如圖3.2（c）所示，板條貝氏體邊界不清楚，位錯呈現(xiàn)高密度網(wǎng)狀形態(tài)。700℃回火，由圖3.2（d）可以看到，所得組織是回火屈氏體和回火索氏體，多邊形鐵素體進(jìn)一步增加，同時還可以看到細(xì)粒狀滲碳體，準(zhǔn)多邊形鐵素體的量很少，這說明經(jīng)過熱處理后的鋼組織回火穩(wěn)定性很好。

（二）回火溫度對高強(qiáng)度機(jī)械工程用鋼力學(xué)性能的影響

從表4中可以看出，未回火的3mm試驗(yàn)鋼抗拉強(qiáng)度為845MPa，屈服強(qiáng)度為778 Mpa，斷后伸長率為17%。當(dāng)溫度升至600℃時，抗拉強(qiáng)度升至960MPa，當(dāng)溫度升至700℃時，抗拉強(qiáng)度降至882MPa。相對于抗拉強(qiáng)度經(jīng)回火溫度的先上升后下降，屈服強(qiáng)度先降后升再降，在550℃到達(dá)頂值874MPa，而后出現(xiàn)下降，在600℃時，下降至865MPa，然后升高再下降，直至700℃時，屈服強(qiáng)度到達(dá)最低值805MPa，試驗(yàn)鋼的斷后伸長率隨著回火溫度的變化是先升高后下降，在550℃是最低值19.3%，在650℃時斷后伸長率最高，達(dá)到21.2%。

（三）分析與討論

綜合上述數(shù)據(jù)分析，而回火溫度對強(qiáng)度/硬度/伸長率是先上升后下降。這是因?yàn)樵冀M織為性能很脆弱的馬氏體組織加膜狀殘留奧氏體，這兩種組織都是不穩(wěn)定組織，在工作中會發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸的變化。

熱處理工藝過程中，伴隨回火溫度的提高，組織類型相對的發(fā)生改變。溫度過低時，組織類型為回火馬氏體和奧氏體，馬氏體的硬度很高，馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，馬氏體的硬度就越高。高碳馬氏體因?yàn)檫^飽和度大、內(nèi)應(yīng)力高和有孿晶結(jié)構(gòu)，所以硬而脆，可塑性、沖擊韌性極不好。但是隨著碳原子的析出擴(kuò)散，低碳馬氏體就會出現(xiàn)。由于低碳馬氏體過飽和度小，內(nèi)應(yīng)力低和存在高密度位錯亞結(jié)構(gòu)，不僅強(qiáng)度高，而且塑性、韌性好。所以一開始試驗(yàn)鋼回火后的硬度低，沖擊性能好。

隨著溫度的進(jìn)一步升高，組織又會變?yōu)榛鼗瘃R氏體和回火屈氏體，鐵素體仍保留馬氏體的形態(tài)，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗。回火屈氏體具備高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，同時也具有一定程度韌性。M/A島的大量分化會導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的下降，但是在基體和硬質(zhì)相在力作用下的形體轉(zhuǎn)變行為更加配合得當(dāng)，也會提高屈服強(qiáng)度。700℃回火后時，組織類型為回火屈氏體和回火索氏體，大部分為鐵素體，這些鐵素體組織已經(jīng)變得很粗大。回火索氏體的綜合力學(xué)性能最好，即強(qiáng)度、塑性、韌性都比較優(yōu)良。同時，滲碳體分布在鐵素體晶粒之間，容易引起脆斷。隨回火溫度升高，組織內(nèi)板條通過界而合并變寬或發(fā)生再結(jié)晶，位錯密度降低和位錯纏結(jié)形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，這是軟化作用。這種軟化作用使得伸長率升高較明顯，由回火前的17%增加到700℃回火時的23%，同時降低抗拉強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)表明工程機(jī)械用鋼的回火溫度不宜超過650℃。

結(jié)論

（1）回火前得到的組織均為馬氏體和殘余奧氏體的復(fù)合組織，組織較細(xì)小。伴隨著回火溫度的提升，馬氏體分解，奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，板條間距增加，粗化現(xiàn)象明顯。

（2）回火溫度對試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度、硬度、斷后伸長率影響較大。隨著回火溫度的提高，試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度/硬度/伸長率會出現(xiàn)先上升后降的趨向。

（3）試驗(yàn)鋼會在600℃獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，合理工藝為回火溫度600℃保溫30分鐘。

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