熱處理工藝對含釩ER70S-6鋼馬氏體含量的影響

陳聰聰 周鵬飛 李 濤 王 敏 楊 彪

(1. 西南科技大學工程技術中心 四川綿陽 621010； 2. 成都大學機械工程學院 四川成都 610106 )

雙相鋼是由鐵素體和馬氏體兩相組成的低碳低合金化的新型鋼種，它具有高強度、高強韌性、綜合力學性能優越、合金化程度低、生產工藝簡單、生產成本低等優點，廣泛適用于冷加工成型，是一種很有發展前途的高效鋼材[1-3]。

美國是最先研究雙相鋼的國家，并在1968年取得了雙相鋼的專利權。1975年日本學者S·Hayami等發表了有關雙相鋼化學成分、顯微組織、力學性能和加工成形性的研究報告；同年，日、美等國家先后研制和生產了可用于汽車工業的雙相鋼[4]。目前，日本在雙相鋼的生產方面處于領先地位，其熱軋雙相鋼以低溫卷取為主，大大降低了Cr，Mo，V等合金元素的加入量，用其制造的車輪成形性好且疲勞壽命也大幅提高[5]。我國從1970年代開始研究雙相鋼，已在板材和棒材方面取得了一定成果，用于汽車工業的雙相鋼板以冷軋板為主[6]。對于非沖壓成型鋼材，如線材、管材和緊固件等領域，雙相鋼的研制工作才剛剛起步[7]。

ER70S-6鋼是用來做焊絲的材料，其組織主要是大部分粗大的鐵素體和少量顆粒狀的珠光體[8-9]，通過適當的軋制工藝后，可以獲得雙相鋼用在冷鐓行業制作螺栓[10]。但通過多次力學試驗發現，軋制的雙相鋼通過拉拔后雖然強度升高但塑性下降太大[11]。通過添加釩元素可以提高ER70S-6鋼基體的強度[12]，但添加釩元素后如何通過熱處理的方式獲得雙相組織目前鮮有研究。本文主要以添加釩元素的ER70S-6鋼為研究對象，對其熱處理性能進行研究，分析釩元素對ER70S-6鋼熱處理相變點的影響規律，并探究添加釩元素后獲得雙相組織的難易程度(空冷、油淬、水淬)以及溫度和冷卻方式對馬氏體含量的影響，為深入研究ER70S-6鋼的性能及應用打下基礎。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

通過WK型非自耗真空電弧爐熔煉、鍛造的方式制備合金成分(質量分數，%)為0.07C-1.5Mn-0.90Si(1#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.01V(2#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.02V(3#)，0.07C-1.5Mn-0.90Si-0.04V(4#)的4個30 mm×30 mm方形鍛件。從1#-4# 鍛件上分別截取12個尺寸約為10 mm×10 mm×10 mm的試樣。

1.2 熱處理工藝

將4組試樣放入SGM箱式電阻爐(生產廠家：洛陽西格馬爐業股份有限公司)中，分別加熱至700,750,800,870 ℃，保溫15 min后對不同溫度下的每組試樣分別進行空冷、油淬和水淬處理。

1.3 金相試樣制備與觀察

將熱處理后的試樣經過打磨、拋光、腐蝕并烘干，制備出試驗所需要的金相試樣。采用10XB-PC型金相顯微鏡(生產廠家：上海光學儀器一廠)觀察試樣的顯微組織，并在每個試樣上選取3個不同的位置拍攝金相照片，使用Image tool軟件測算分析含釩ER70S-6鋼中馬氏體的含量。

1.4 試驗設計

采用全面試驗法，對釩含量、加熱溫度和冷卻方式3個試驗因素影響下獲得雙相鋼的難易程度進行研究。試驗因素如表1所示。

表1 全面試驗因素及水平Table 1 Factors and levels of the comprehensive test

2 試驗結果與分析

2.1 700 ℃ 熱處理結果

從金相組織中可以觀察到1#- 4# 試樣采用700 ℃ 熱處理后，無論是空冷、油淬還是水淬其組織都為鐵素體+珠光體，而得不到馬氏體組織，只是不同成分的試樣采用相同的熱處理工藝或相同成分的試樣采用不同的熱處理工藝處理后，得到鐵素體和珠光體的比例不同[13]。因此，在700 ℃ 熱處理工藝條件下不能得到雙相組織。3種具有代表性試樣的金相照片如圖1所示。這是由于鋼的奧氏體化溫度大約是727 ℃，加熱到700 ℃ 時不能使組織奧氏體化，無論空冷、油淬、水淬均得不到馬氏體組織，即得不到雙相組織[14]。

圖1 700 ℃ 熱處理后不同方式冷卻后的金相組織Fig.1 Metallographic structures after heating at 700 ℃ and cooling in different ways

2.2 750 ℃ 熱處理結果

選取3種具有代表性的金相試樣進行分析。如圖2(a)所示，從金相組織中觀察到1# 試樣加熱溫度為750 ℃ 空冷后的組織仍得不到馬氏體，因此采用此熱處理方式得不到雙相組織。如圖2(b)和圖2 (c)所示，2# 和3# 試樣加熱到750 ℃，采用油淬或水淬冷卻后可以得到少量的馬氏體，只占到整個組織的1.5% 左右，其組織為鐵素體+珠光體+少量馬氏體。

鋼加熱至奧氏體化溫度后快速冷卻，冷卻速度大于合金的臨界冷卻速度，在較低溫度下(低于Ms點)才能轉變為馬氏體組織。圖2(a)中沒有馬氏體出現，是由于空冷條件下冷卻速度較慢，在溫度沒有降至Ms點以下時奧氏體組織已經發生了轉變，奧氏體在緩慢的冷卻條件下形成了珠光體。圖2(b)和圖2 (c)中因為鋼的奧氏體化溫度約為727 ℃，在750 ℃條件下只有很少一部分組織轉變為奧氏體，因此在油淬和水淬快速冷卻下得到了少量馬氏體組織。

圖2 750 ℃ 加熱后不同方式冷卻后的金相組織Fig.2 Metallographic structures after heating at 750 ℃ and cooling in different ways

2.3 800 ℃熱處理結果

選取10種具有代表性的金相試樣進行分析。如圖3(a)和圖3 (b)所示，從金相組織中可以觀察到1# 和4# 試樣加熱溫度為800 ℃ 空冷后，部分奧氏體可以轉變為馬氏體，但馬氏體的含量較少，大約2%。但3# 和4# 試樣加熱到800 ℃ 空冷后，奧氏體不能轉變為馬氏體。這是由于加入釩元素后，過冷奧氏體穩定性增加，且使Ms點降低，過冷奧氏體難以轉變為馬氏體[15]。

圖3(c)-圖3(j)分別為1# 至4# 試樣加熱溫度為800 ℃，分別采用水淬和油淬的熱處理結果。從金相組織中可以看到這些組織都為鐵素體+馬氏體組成的雙相組織，但馬氏體組織所占的比例各不相同。通過對金相圖片進行處理分析可知：采用800 ℃ 熱處理后，1# 試樣水淬得到馬氏體含量為20.78%，油淬為18.36%；2# 試樣水淬得到馬氏體含量為20.15%，油淬為18.54%；3# 試樣水淬得到馬氏體含量為19.83%，油淬為18.04%；4# 試樣水淬得到馬氏體含量為19.59%，油淬為17.27%。

圖3 800 ℃ 加熱后不同方式冷卻后的金相組織Fig.3 Metallographic structures after heating at 800 ℃ and cooling in different ways

水淬和油淬的冷卻速度較快，試樣可以快速冷卻至Ms點以下，抑制其擴散性分解，發生無擴散性相變，形成馬氏體。另外，除了Co和Al以外的合金元素，當其溶解于奧氏體中后，會使過冷奧氏體的穩定性增加，C曲線右移，并使Ms點降低[16]。因此，試樣基本是按照隨含釩量的增加生成馬氏體的含量逐漸減少變化的。

2.4 870 ℃ 熱處理結果

如圖4(a)-圖4(d)所示，從金相組織中可以觀察到 1# 至4# 試樣加熱溫度為870 ℃ 空冷后，部分奧氏體可以轉變為馬氏體。通過對馬氏體含量分析可知：1# 試樣為7.2%；2# 試樣為6.85%；3# 試樣為6.77%；4# 試樣為5.91%。由于隨著熱處理溫度的升高，奧氏體組織與鐵素體組織含量的比值逐漸增大，當空冷時奧氏體轉變為珠光體后，還有部分奧氏體可以到Ms點以下才發生組織轉變，轉變成了馬氏體組織[17]。

如圖4(e)-圖4(l)所示，從金相組織中可以看到 1# 至4# 試樣加熱溫度為870 ℃，水淬和油淬冷卻后，部分奧氏體可以轉變為馬氏體，該熱處理工藝也可以得到雙相組織。經分析可得：在870 ℃ 的熱處理溫度下，1# 試樣水淬得到馬氏體含量為9.34%，油淬為8.97%；2# 試樣水淬得到馬氏體含量為 8.96%，油淬為8.49%；3# 試樣水淬得到馬氏體含量為8.15%，油淬為7.94%；4# 試樣水淬得到馬氏體含量為8.23%，油淬為7.38%。

圖4 870 ℃ 加熱后不同方式冷卻后的金相組織Fig.4 Metallographic structures after heating at 870 ℃ and cooling in different ways

水淬或油淬后觀察到的金相圖片中白色部分為鐵素體，黑色部分為珠光體，還有可能含有部分殘留過冷奧氏體，紅白色部分為馬氏體。加熱溫度為870 ℃ 時，ER70S-6鋼中大部分珠光體轉變為奧氏體，水淬或油淬時在快速冷卻過程中過冷奧氏體迅速增加；隨著溫度的降低，轉變為馬氏體的量增大，體積迅速膨脹，從而使過冷奧氏體失去轉變為馬氏體的條件。因此，加熱溫度為870 ℃，水淬或油淬的相圖中可能有部分過冷奧氏體存在。

3 結論

(1)在同等熱處理條件下，通過對含釩量不同的ER70S-6 鋼的金相組織進行分析，可知熱處理條件相同時，獲得馬氏體的含量隨含釩量的增加而略微有所降低。其γ/α+γ相變點約為750 ℃。

(2)溫度對轉變為馬氏體的含量影響較大。釩含量相同時，空冷試樣在一定溫度范圍內馬氏體的含量隨加熱溫度的升高而逐漸增加；對于油淬和水淬試樣，溫度在 800 ℃ 以下加熱時，馬氏體的含量隨溫度的升高而逐漸增加，800 ℃ 時達到最大值，800 ℃ 以上時隨溫度的升高而逐漸減少。

(3)當含釩量相同時，熱處理溫度為 800 ℃，保溫15 min后，采用水淬的冷卻方式可以獲得馬氏體含量約為 20.78% 的雙相鋼。