熱處理工藝對NiCrMoV鋼性能的影響

趙欣

中國金屬學會 北京 100081

1 先進高強鋼的最新進展

汽車的減重成為減少CO2排放和降低燃油消耗的關鍵手段，電動汽車和氫能源汽車更加要求車身減重。為了滿足汽車工業在提高安全性、燃油經濟性、耐用性和舒適性等方面的要求，鋼鐵企業開發了不同的鋼材并應用在車身結構上，目前更加先進的汽車用鋼正在加緊研發中。汽車用鋼強度與伸長率的關系如圖1所示。

圖1 汽車用鋼強度與伸長率的關系

強塑積小于25 000MPa%的汽車用鋼已經廣泛應用于汽車行業，如IF鋼、HSLA（高強度低合金）鋼、傳統的先進高強鋼（AHSS）如DP（雙相）鋼、TRIP（相變誘導塑性）鋼、CP（復相）鋼、馬氏體鋼和HF（熱沖壓成形）鋼。另外，超高強度先進高強鋼（X–AHSS）和超高強度先進高強鋼（U–AHSS），具有優越的強度和塑性平衡，強塑積大于25 000MPa%，被稱為下一代汽車用鋼。

2 NiCrMoV鋼介紹

NiCrMoV鋼是超高強度低合金馬氏體鋼中的一類，它具有極好的淬透性、合適的延展性、高強度、高疲勞強度和抗蠕變性，在汽車工業中的應用正在增加。為了避免脆性斷裂，需要對NiCrMoV鋼的熱處理工藝進行適當的改變，主要影響硬度、韌脆轉變溫度（FATT）、抗拉強度、沖擊吸收能量等力學性能。

不同的熱處理工藝對于提高NiCrMoV鋼力學性能的重要成果被應用。淬火和回火工藝的改變有助于生產強度和韌性匹配優良的大截面NiCrMoV鋼零件，這種性能的獲得是基于淬火時產生的馬氏體組織和隨后細小彌散的合金碳化物的析出。因為早期使用的馬氏體鋼不經過回火處理，淬火時會產生內應力，所以回火步驟就變得非常重要。

由于NiCrMoV鋼易受馬氏體回火脆性的影響，因此在規定的溫度范圍內以適當的冷卻速率回火非常必要。本文以34CrNiMo6合金鋼為例進行說明，重點研究熱處理工藝對于該合金鋼性能的影響，其化學成分見表1。

表1 34CrNiMo6合金鋼的化學成分（質量分數）（%）

3 冷卻速率對力學性能的影響

圖2給出了冷卻速率對力學性能的影響。冷卻速率的增加，試樣的硬度和極限抗拉強度增加，而沖擊吸收能量降低。表2給出了不同的冷卻速率對極限抗拉強度、屈服強度、沖擊吸收能量、硬度和晶粒尺寸的影響，隨著冷卻速率增加，晶粒尺寸減小[1]。表3給出了不同淬火介質對極限抗拉強度、屈服強度、沖擊吸收能量、硬度和晶粒尺寸的影響[1]。

通常較細的晶粒尺寸會賦予更好的韌性，由于組織結構中存在上貝氏體，細的晶粒尺寸降低了鋼的沖擊吸收能量。

圖2 冷卻速率對34CrNiMo6合金鋼力學性能的影響

表2 34CrNiMo6鋼在不同冷卻速率下的晶粒尺寸、沖擊吸收能量、硬度和極限抗拉強度

表3 34CrNiMo6鋼不同淬火介質下的晶粒尺寸、沖擊吸收能量、硬度和極限抗拉強度

圖3表明，隨著試樣直徑的增加，FATT會達到更高的溫度。在聚合物淬火的情況下，隨著試樣直徑的增加，FATT增加的速率減小。

圖3 在冷速為4℃/min、8℃/min和12℃/min下和在聚合物淬火介質下熱處理鋼的FATT與試樣直徑的對比

4 回火溫度對力學性能的影響

按照轉動軸試驗規范進行力學性能試驗，結果見表4。

不同回火溫度條件下的強度和塑性變化分別如圖4所示。從圖4a可以看出，隨著回火溫度的增加，屈服強度和極限抗拉強度相應降低，圖4b表明，斷面收縮率隨著回火溫度的增加而增加。

從圖5a可以看出，隨著回火溫度的增加硬度逐漸降低，圖5b給出了回火溫度對耐沖擊強度的變化情況，隨著回火溫度的增加，耐沖擊強度呈上升趨勢。

5 熱處理優化試樣的疲勞試驗

以上試驗結果表明，試樣在600℃回火能取得最佳效果，因此對鍛造后的未經過熱處理和經油淬+600℃回火試樣進行周期循環疲勞試驗。圖6顯示了熱處理和未經熱處理試樣的S—N曲線。熱處理試樣的疲勞極限比未經熱處理試樣的疲勞極限有所增加，即從346MPa增加到450MPa。在循環周期為5×106下，傳動軸的最小疲勞極限需要達到420MPa，這個要求在油淬+600℃回火的熱處理工藝條件下容易達到。

表4 回火溫度對力學性能的影響

圖4 回火溫度對屈服強度和極限抗拉強度及斷面收縮率的影響

圖5 回火溫度與對硬度和沖擊吸收能量的影響

圖6 熱處理和未經熱處理試樣的S—N曲線

6 結束語

1）NiCrMoV合金鋼在聚合物溶液淬火時表現出優良的力學性能，韌脆轉變溫度（FATT）與試樣尺寸有關，高回火溫度下韌脆轉變溫度升高得慢，試樣尺寸對韌脆轉變溫度的影響受冷卻速度控制。

2）隨著回火溫度的增加，屈服強度、極限抗拉強度和硬度降低，而塑性和沖擊吸收能量增加。但極限抗拉強度比屈服強度降低的速率高，隨著回火溫度的增加，加工硬化速率減小。

3）經過熱處理的試樣疲勞強度比未經過熱處理的試樣疲勞強度高。對于汽車用傳動軸要得到所需的疲勞強度應遵循油淬+600℃回火處理工藝。