35CrMnSi低合金鋼淬火直徑與微觀組織的關系

張顯武， 丁雅莉， 楊卓越， 高 齊， 王勝民

(1. 昆明理工大學 材料科學與工程學院， 云南 昆明 650093；2. 鋼鐵研究總院 特殊鋼研究所， 北京 100081)

眾所周知，淬透性是低合金結構鋼的重要性能之一，淬透性好的鋼種可以保證尺寸較大的構件具有合理的硬度分布，因此自20世紀30年代開始就有關于淬透性的研究。多年的研究表明，添加Mn、Cr、Mo、Ni和Si等可以改善低合金結構鋼的淬透性[1-4]，尤其是添加大量B改善淬透性更明顯[5-7]。到目前為止，傳統的頂端淬火和截面硬度方法仍是評價低合金結構鋼淬透性的主要方法[8]，根據端淬曲線上硬度與淬火馬氏體量的關系(如90%馬氏體或50%馬氏體)，可以得到理想臨界直徑DI(另一種淬透性表征方式)，也可以直接預測實際構件淬火后的馬氏體量和硬度分布，如預測鋼棒的實際淬火臨界直徑，并根據構件尺寸選擇合理的鋼種[3]。然而，端淬曲線僅考慮淬火馬氏體量與硬度的對應關系，忽略了不同非馬氏體組織的影響，因為鐵素體+珠光體、上貝氏體和下貝氏體對硬度的影響程度不同，因此本文采用截面硬度法研究了不同直徑35CrMnSi鋼棒材油冷淬火后非馬氏體組織對硬度、強度和沖擊性能的影響，探索了強韌性優良的35CrMnSi超高強度鋼油冷淬火臨界直徑。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼為電渣重熔的35CrMnSi鋼φ320 mm鍛造棒材，化學成分見表1。從棒材遠離軸線中心切取對照組拉伸試樣(φ10 mm×70 mm)和沖擊試樣(12 mm×12 mm×60 mm)，同時切取φ20 mm×L、φ40 mm×L、φ60 mm×L和φ90 mm×L的鋼棒，鋼棒長L不小于2倍直徑以確保力學性能和微觀組織檢測區域在淬火介質內維持一維徑向冷卻。

表1 試驗35CrMnSi鋼的化學成分(質量分數，%)

對照組拉伸、沖擊試樣和φ20 mm鋼棒經過900 ℃×1 h油冷淬火，φ40、φ60和φ90 mm鋼棒分別在900 ℃保溫1.5、2.0和2.5 h后油冷淬火。從淬火的φ20、φ40、φ60和φ90 mm鋼棒上切取10 mm厚的硬度試片(一維徑向冷卻區域)，用10 kg載荷測試橫截面的維氏硬度，依鋼棒直徑確定硬度測試間隔(0.5 mm 或1 mm)，規格為φ20、φ40 mm的試樣每隔0.5 mm打一個點，規格為φ60、φ90 mm的試樣每隔1 mm 打一個點。

再從淬火后的φ20、φ40、φ60和φ90 mm鋼棒軸線中心切取對照組拉伸、沖擊試樣，拉伸、沖擊試樣軸線與淬火鋼棒軸線重合，并確保拉伸試樣標距區和沖擊試樣缺口區處于淬火鋼棒徑向一維冷卻區域。對照組拉伸和沖擊試樣以及從鋼棒內切取的拉伸和沖擊試樣經230 ℃×2 h回火，最后將所有拉伸、沖擊試樣加工成用于拉伸測試和沖擊測試的試樣，拉伸試樣標距直徑φ5 mm、標距長25 mm，沖擊試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，U型缺口。利用WE300B拉伸試驗機按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗，利用JBN-300B沖擊試驗機按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行室溫沖擊試驗，每一組平行試樣2個，取其平均值作為最終值。在淬火鋼棒內等同拉伸試樣標距區或沖擊試樣缺口區的位置切取試樣，制成標準金相試樣，用光學顯微鏡觀察微觀組織形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 室溫力學性能與淬火直徑的相關性

文獻[9]報道30CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑約φ43 mm，軸線中心95%馬氏體的30CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑φ25～φ40 mm[10]，合金元素含量相近的35CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑也接近于這一范圍[9-10]。然而，從圖1(a)所示不同直徑鋼棒油冷淬火后橫截面硬度分布可以看出，φ20、φ40 mm淬火鋼棒試樣橫截面上的硬度幾乎不變，軸線中心硬度分別為623 HV10(56 HRC)和609 HV10(55.5 HRC)；而φ60 mm 鋼棒淬火后整個橫截面維持高的硬度，接近軸線中心硬度略有下降，560 HV10(53 HRC)，比φ20 mm 鋼棒下降約5.4%，因此φ60 mm鋼棒試樣油冷淬火軸線中心硬度接近于SAE J406標準90%淬火馬氏體的硬度，據此判斷35CrMnSi鋼油冷淬火鋼棒臨界直徑遠高于已報道的約φ40 mm。圖1(a)所示φ90 mm鋼棒試樣油冷淬火后軸線中心硬度下降到450 HV10(46 HRC)，若按照SAE J406標準[8]，35CrMnSi鋼0.33%碳含量對應50%淬火馬氏體的硬度為39 HRC，據此判斷35CrMnSi鋼形成50%馬氏體的油冷淬火直徑大于φ90 mm。

圖1 35CrMnSi鋼棒直徑與力學性能的相關性(a)橫截面硬度分布；(b)強度和沖擊吸收能量Fig.1 Correlation between the 35CrMnSi steel bar diameter and mechanical properties(a) cross section hardness distribution; (b) strength and impact absorbed energy

從φ20、φ40和φ60 mm淬火鋼棒試樣軸線中心切取的拉伸和沖擊試樣經230 ℃×2 h回火后抗拉強度不低于對照組試樣，U型缺口沖擊吸收能量略低于對照組試樣(見圖1(b))。雖然φ60 mm淬火鋼棒試樣軸線中心屈服強度略有下降，但仍然滿足超高強度鋼強度和韌性的綜合要求，因此判斷35CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑應不低于φ60 mm。

2.2 微觀組織與淬火直徑的相關性

對不同直徑鋼棒試樣油冷淬火后軸線中心顯微組織表明，淬火馬氏體量與硬度的相關性不同于SAE J406標準提供的對應關系。圖2(a)所示φ20 mm鋼棒試樣軸線中心組織為馬氏體；φ40 mm鋼棒試樣軸線中心組織為淬火馬氏體+5%下貝氏體(見圖2(b))，因此按95%淬火馬氏體判定油冷淬火臨界直徑與文獻[9-10]報道的φ40 mm 相吻合。然而，φ60 mm鋼棒試樣軸線中心組織內存在約60%的下貝氏體(見圖2(c))。雖然淬火馬氏體量低于50%，但軸線中心的硬度560 HV10(53 HRC)，遠高于按SAE J406標準50%淬火馬氏體對應的硬度39 HRC，顯然下貝氏體替代馬氏體對硬度影響不明顯。與φ20 mm鋼棒試樣(完全馬氏體)相比，φ60 mm鋼棒試樣軸線中心硬度僅下降約5.4%，抗拉強度和屈服強度略有下降，不降低U型缺口沖擊吸收能量，即下貝氏體對沖擊韌性的影響也非常有限，因此上述判斷35CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑不低于φ60 mm是合理的。φ90 mm鋼棒試樣油冷淬火后軸線中心組織為大量的先共析鐵素體+粒狀貝氏體和上貝氏體(見圖2(d))，但軸線中心的硬度450 HV10(46 HRC)說明粒狀貝氏體和上貝氏體影響35CrMnSi鋼硬度有限，再次說明SAE J406中傳統的淬火馬氏體量預測35CrMnSi鋼淬火臨界直徑小于實際值。

圖2 不同直徑35CrMnSi鋼棒試樣淬火后軸線中心顯微組織Fig.2 Microstructure of the axis center of the 35CrMnSi steel bar specimens with different diameters after quenching(a) φ20 mm; (b) φ40 mm; (c) φ60 mm; (d) φ90 mm

3 結論

1) 由于貝氏體的存在使35CrMnSi低合金鋼淬火馬氏體量與硬度的相關性不再符合SAE J406標準提供的對應關系，根據油冷淬火鋼棒軸線中心的硬度，并依據超高強度鋼強韌性要求，35CrMnSi鋼油冷淬火實際臨界直徑不低于φ60 mm。

2)φ90 mm鋼棒試樣油冷淬火后軸線中心粒狀貝氏體和上貝氏體對硬度影響有限，450 HV10(46 HRC)的硬度遠高于SAE J406標準50%淬火馬氏體對應的硬度，因此按SAE J406標準的淬火馬氏體量預測35CrMnSi鋼臨界淬火直徑小于實際值。