快速球化退火對SKS51工模具鋼組織和硬度的影響

封舉寧，譚峰亮，李鴻娟，曾 斌，汪 力，葉勤政

(1.湖南人文科技學院能源與機電工程學院，婁底 417000；2.湖南人文科技學院材料與環境工程學院，婁底 417000;3.湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，婁底 417000；4.廣東德納斯金屬制品有限公司，云浮 527300)

0 引 言

SKS51合金鋼硬度高，韌性和耐磨性良好，主要用于制造高端、高等級工模具，如高精度圓鋸片、特種工具、刃具和特殊彈簧等。SKS51鋼的熱軋態組織一般由片層狀珠光體和少量滲碳體組成，這種組織具有高的硬度和低的塑性，不利于切削加工。因此，在后續冷加工及熱處理前需要對SKS51鋼進行球化退火處理[1]。生產中常用的球化退火工藝包括一次球化退火和等溫球化退火。這兩種工藝的加熱溫度高，保溫時間長，容易引起鋼的晶粒粗化，導致韌性和塑性降低，同時這兩種工藝的生產成本高。研究[2-4]表明，當過共析鋼加熱到Ac1Acm(Ac1為加熱時珠光體向奧氏體轉變的溫度；Acm為滲碳體溶入奧氏體的終了溫度)間某一溫度時，碳化物不能完全溶解，而會以顆粒的形式分布在奧氏體基體上，當溫度降低到Ac1以下某一溫度時，碳化物會成為形核核心并長大，從而完成球化過程；這個過程也被稱為離異共析。基于離異共析原理，可實現過共析鋼的快速球化退火，從而提高生產效率，降低成本。

作者以SKS51鋼為研究對象，研究了快速球化退火對SKS51鋼球化組織及硬度的影響，確定了合理的球化退火工藝參數，為實際生產中SKS51鋼的快速球化提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為厚度4.0 mm的熱軋SKS51鋼薄板，化學成分見表1；其組織細小均勻，為片層狀珠光體+極少量滲碳體，未發現網狀結構的鐵素體，如圖1所示。

表1 SKS51鋼的化學成分(質量分數)

圖1 SKS51鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of SKS51 steel

將試驗鋼板加工成12組尺寸均為10.0 mm×20.0 mm×4.0 mm的試樣，對其進行快速球化退火處理。快速球化退火工藝包括奧氏體化和等溫球化兩個過程[5]。根據離異共析原理及相關研究結果[1,6-7]制訂快速球化退火試驗方案。經多次試驗發現，在奧氏體化溫度為750,780 ℃保溫10 min再冷卻至680 ℃保溫2 h時，試樣球化效果較好，故將奧氏體化溫度θ1定為750，780 ℃進行進一步研究。為促進球化轉變，需確保奧氏體化過程中形成的奧氏體內部仍保留滲碳體，因此選擇較短的奧氏體化保溫時間t1，分別為10，20 min。等溫球化溫度θ2設置為650，680，700 ℃，保溫時間為2 h。快速球化退火工藝曲線如圖2所示。

圖2 快速球化退火工藝曲線Fig.2 Rapid spheroidizing annealing process curve

在退火后的試樣上取樣，經磨拋，采用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在Leica DMI 8C型倒置光學顯微鏡下觀察顯微組織。采用COXEM EM-30 Plu型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣微觀形貌。采用VH-5型維氏硬度計測試顯微硬度，載荷為9.8 N，保載時間為20 s，每個試樣測5個點取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可以看出:750 ℃×10 min奧氏體化+650 ℃等溫球化處理后，SKS51鋼組織中存在較多的片狀碳化物；等溫球化溫度升高至680 ℃時，片狀碳化物減少，球狀碳化物增多；當等溫球化溫度升高至700 ℃時，片狀碳化物基本消失，球化效果較好。在等溫球化過程中，碳化物球化速率主要受碳原子擴散速率影響，等溫球化溫度較低時[1,8]，碳原子擴散速率較低，片狀碳化物溶解緩慢，球化速率較低，此時組織以片狀碳化物為主。

圖3 不同工藝參數快速球化退火后SKS51鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of SKS51 steel after rapid spheroidizing annealing with different process parameters

經750 ℃×20 min奧氏體化+650700 ℃等溫球化處理后，隨著等溫球化溫度升高，SKS51鋼的組織變化趨勢與奧氏體化保溫時間為10 min的相同，但片狀碳化物更多。在等溫球化過程中，新碳化物會依附于原有的碳化物顆粒進行非均勻形核，形成球狀顆粒[9]。但是奧氏體化時間延長后，片層狀珠光體溶解更充分，鋼中剩余細小碳化物顆粒數量減少，使得等溫過程中非均勻形核的位置減少，因此延長奧氏體化保溫時間不利于球狀珠光體的轉變。

780 ℃×10 min奧氏體化或780 ℃×20 min奧氏體化+不同溫度等溫球化處理后，SKS51鋼組織中均存在大量的片狀碳化物，球化效果較差。這是因為在較高奧氏體化溫度和較長保溫時間下，組織近乎完全奧氏體化，碳化物基本溶入奧氏體[10],僅存在少量未溶碳化物[10-11]，SKS51鋼無法發生離異共析，球化效果較差。

2.2 微觀形貌

由圖4可以看出：750 ℃×10 min+650 ℃×2 h球化退火后，SKS51鋼中大部分球狀碳化物的尺寸小于1 μm，同時晶內存在較多大尺寸的長條狀碳化物；球化溫度升高至680 ℃時，球狀碳化物數量增加，尺寸增大，極少數碳化物尺寸增大到2 μm左右，晶內仍存在極少量未溶斷的條狀碳化物；球化溫度升高至700 ℃時，小顆粒碳化物被大顆粒碳化物吞噬，球狀碳化物尺寸進一步增大且分布更均勻，此時的球化效果較好；延長奧氏體化保溫時間并升高球化溫度至700 ℃后，SKS51鋼中出現了較多短棒狀碳化物；與奧氏體化溫度為750 ℃的相比，奧氏體化溫度為780 ℃時的鋼中片層狀碳化物增多，并出現較多細小的碳化物顆粒，粒狀碳化物與片層狀碳化物呈交替分布。

圖4 不同工藝參數下快速球化退火后SKS51鋼的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of SKS51 steel after rapid spheroidizing annealing with different process parameters

2.3 硬 度

由表2可以看出：當奧氏體化溫度為750 ℃，保溫時間為10，20 min時，隨等溫球化溫度升高，SKS51鋼的硬度降低；當奧氏體化溫度為780 ℃且保溫時間為10 min時，SKS51鋼的硬度隨等溫球化溫度的升高先降低后升高，在等溫球化溫度為680 ℃時硬度最低，而當奧氏體化保溫時間延長至20 min時，硬度隨球化溫度升高而降低；在相同等溫球化溫度和時間下，升高奧氏體化溫度或延長奧氏體化時間有利于硬度的提高。

表2 不同工藝參數下快速球化退火后SKS51鋼的硬度

結合組織分析可知，與含片狀碳化物組織的鋼相比，含球狀碳化物組織的鋼的硬度更低，且球狀碳化物尺寸越大，硬度越低。SKS51鋼的較佳快速球化退火工藝為750 ℃×10 min奧氏體化+700 ℃×2 h等溫球化，此時組織中球狀碳化物最多，球化效果最好，硬度最低，為229.6 HV。

3 結 論

(1) 在試驗條件下，升高奧氏體化溫度或延長奧氏體化等溫時間均會導致SKS51鋼中的片狀碳化物增多，球化效果變差，硬度增大。

(2) 經750 ℃×10 min奧氏體化后，隨著等溫球化溫度升高，SKS51鋼中球狀碳化物含量增加，尺寸增大，硬度降低。

(3) 經750 ℃×10 min+700 ℃×2 h快速球化退火后，SKS51鋼中的球狀碳化物最多，球化效果最好，硬度最低。