回火冷卻速率對30CrMnSiA 組織與性能的影響①

李 豐， 許 磊， 饒 金， 李彩虹， 周玉成， 王 琴， 張海盟

（1.航空工業江西洪都航空工業集團有限責任公司，江西 南昌 330096；2.空軍裝備部駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌 330000；3.南昌航空大學，江西 南昌 330063）

30CrMnSiA 鋼屬于合金結構鋼，強度高，加工性能、抗疲勞性能好，但焊接性能較差，實際生產中一般經調質后使用。 調質后的30CrMnSiA 鋼有很高的強度和足夠的韌性，可用于制作砂輪軸、齒輪、鏈輪等，在航空航天領域被廣泛用于制造各種重要鍛件、機械加工零件及緊固件等[1-3］。 然而，在熱處理過程中，30CrMnSiA 鋼容易產生回火脆性，從而導致材料性能降低。 因此，消除熱處理中產生的回火脆性非常重要。

目前，國內針對鋼件熱處理過程中冷卻速度與力學性能的關系已開展了部分研究工作，發現回火溫度對高冷速試驗鋼力學性能的影響大于對低冷速試驗鋼力學性能的影響[4］；同時也發現正火12Cr1MoV 鋼的回火脆化在較高溫區和較低溫區具有兩種不同的冷速敏感性[5］：較低溫區（＜640 ℃），隨回火溫度降低，爐冷試樣具有較高的脆化敏感性，空冷試樣脆化程度得到改善；較高溫區（＞640 ℃）爐冷和空冷試樣的脆化敏感性差別不大。 回火時所用介質的冷速越高，鋼強度及硬度越高，但伸長率會降低；冷卻速率較快時，由于形成碳化物所需的C、Cr 元素擴散時間少，碳化物尺寸減小， 分布更加彌散均勻[6-11］。 目前針對30CrMnSiA 鋼回火相關的研究主要集中在回火溫度對其性能的影響，關于回火冷速對其性能影響方面的研究較少。 本文對30CrMnSiA 鋼進行不同冷速下的回火實驗，并對回火后樣品進行力學性能測試及微觀組織分析，探究回火冷卻速率對30CrMnSiA 鋼性能的影響及其組織演變規律。

1 實驗

采用退火態30CrMnSiA 鋼進行實驗，鋼材成分如表1 所示。 先進行淬火及回火實驗，并對熱處理后的樣品進行加工。 參照GB／T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，選擇全尺寸夏比V 型缺口，使用線切割機對棒材進行加工，試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm，如圖1 所示。 去除線切割加工試樣表面的油污及氧化部分，并用酒精洗凈后烘干。

表1 30CrMnSiA 鋼化學成分（質量分數）%

將切割后的樣品放入空氣電爐中進行淬火及回火處理，淬火工藝方案為：以升溫速率10 ℃／min 將電爐升溫到900 ℃，到溫裝樣，保溫30 min，油冷；回火工藝方案為：510 ℃回火，到溫裝樣，保溫60 min；冷卻方式為：油冷、15%pag 淬火劑冷卻、5.3%pag 淬火劑冷卻。樣品熱處理工藝見表2。

表2 30CrMnSiA 樣品熱處理工藝

對熱處理后樣品進行沖擊實驗，在棒材中間位置取樣，每組樣品進行3 次沖擊實驗，取平均值作為該樣品沖擊韌性值。 而后對沖擊后樣品進行硬度測試。

使用XSTRESS 3000 型X 射線應力測試儀對部分熱處理后的樣品表面進行殘余應力檢測，檢測前把表面打磨平整，測試過程中樣品不能移動，每次測量樣品表面3 個點的值，取平均值。 殘余應力測試包括樣品表面及樣品內部4 mm 處，側面為表面樣品在距離尾端4 mm 左右切割的一個小方塊，如圖2 所示。

圖2 樣品側面及樣品切割位置

在斷口附近截取金相試樣，打磨后使用5%硝酸酒精腐蝕15 s。 采用ZXcamera-1600 型光學顯微鏡及Nova Nano SEM450 型掃描電鏡對30CrMnSiA 鋼微觀組織進行觀察，采用xstress-3000 型殘余應力測試儀測試樣品表面殘余應力，采用瑞典IVF 冷卻特性測試儀測試3 種冷卻介質的冷卻特性。

2 實驗結果及討論

2.1 力學性能分析

2.1.1 硬度分析

樣品硬度測試結果見表3。 從表3 可以看出，冷卻速率對樣品硬度影響較小，3 組樣品硬度無太大差別。

表3 樣品硬度測試結果

2.1.2 沖擊性能分析

樣品沖擊性能測試結果見表4，最后的沖擊韌性值為多個樣品測試后的平均值。 從表4 可以看出，隨著冷卻速率增加，樣品沖擊性能逐漸提高，但提升幅度不大。

表4 樣品沖擊性能測試結果

2.1.3 殘余應力分析

樣品表面殘余應力測試結果見表5。 從表5 可以看出，油冷的冷卻速率最低，其表面殘余應力也最小；5.3%pag 淬火劑冷卻樣品殘余應力最大；油冷樣品表面殘余應力為壓應力，距表面4 mm 處的內部殘余應力為拉應力。 這是因為工件在加熱和冷卻過程中，表層和心部的冷卻速率和冷卻時間不一致形成溫差，導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力，在熱應力作用下，表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部，使心部受拉，冷卻結束時，心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受到壓應力、心部受到拉應力。 這種現象受到冷卻速率、材料成分和熱處理工藝等因素的影響。 冷卻速率越高，含碳量和合金成分越高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形越大，最終產生的殘余應力也越大[12-16］。

表5 樣品表面殘余應力測試結果

2.2 微觀組織分析

對回火后樣品進行顯微組織分析，結果如圖3 所示。 回火后樣品組織均為回火索氏體、少量鐵素體和碳化物，碳化物在晶界和晶粒內部彌散析出。

圖3 回火后樣品SEM 圖

對3 個樣品放大后可以觀察到鐵素體基體上有細小的顆粒狀碳化物，對碳化物采用點掃描方式進行能譜分析，觀察碳化物元素含量，結果如圖4 ～6 所示。其中樣品1 碳化物中C 元素含量為54.80%、樣品2 碳化物中C 元素含量為43.99%、樣品3 碳化物中C 元素含量為37.90%，呈現逐漸下降的趨勢。 3 種冷卻介質的冷卻速率為：油＜15%pag 淬火劑＜5.3%pag 淬火劑，在冷卻過程中，碳化物會沿晶界和晶粒內部彌散析出，冷卻速率越大，樣品停留在碳化物析出敏感區間的時間越短，基體上析出的碳化物越少，則在能譜中觀察到C 元素含量越少。 從元素種類上來看，C 主要與Fe 結合形成鐵碳化合物，少量C 與Cr、Si 元素形成鉻碳化合物、硅碳化合物。 3 種冷卻介質在510 ℃下的最大冷速分別為40.5 ℃／s、79.8 ℃／s、111.7 ℃／s，屬于快速冷卻，在該冷速條件下碳化物含量較少（見圖3），說明在快速冷卻條件下冷速對碳化物含量影響較小。

圖4 樣品1 能譜分析結果

圖5 樣品2 能譜分析結果

圖6 樣品3 能譜分析結果

一般來說，回火溫度越高，碳化物尺寸越大。 碳化物的生長除受溫度影響外，還受到冷卻速率的影響。碳化物的生長需要基體中的C、Cr 等元素擴散析出，隨著冷卻速率增加，碳化物生長時間減少，遠程的原子擴散不充分，無法滿足碳化物繼續長大的成分需求[17］。 因此，回火過程中冷速越快，樣品中碳化物尺寸越小。 本文研究的3 組樣品冷速都較大，從圖3 看出，3 組樣品的碳化物尺寸都較小，沒有明顯差別。

3 結論

1） 回火冷速對30CrMnSiA 硬度影響較小；隨著回火冷卻介質冷卻速率增加，30CrMnSiA 樣品沖擊性能小幅提高。

2） 30CrMnSiA 經510 ℃回火后的樣品表面主要受到壓應力、心部受到拉應力，隨著回火冷卻速率增加，樣品表面受到的壓應力增加，回火冷卻速率越快，冷卻后樣品表面殘余應力越大。

3） 冷卻過程中，30CrMnSiA 鋼中碳化物會沿晶界及晶粒內部彌散析出，冷卻速率越大，樣品停留在碳化物析出敏感區間的時間越短，基體上析出的碳化物越少。 回火過程中C 元素主要與Fe 元素結合形成鐵碳化合物，少量C 元素與Cr、Si 元素形成鉻碳化合物、硅碳化合物。 在快冷范圍內冷速對碳化物含量及尺寸影響較小。