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设计低碳钢的亚温淬火工艺，分析淬火前组织形态对亚温淬火后性能的影响，并与普通淬火工艺比较
一 设计低碳钢的亚温淬火工艺
取20SiMnTi钢做研究对象。
亚温淬火是指把工件加热到AC1 ~AC3之间，充分保温一段时间后淬火。亚温淬火时因出现细小而均匀分布的铁素体，可抑制可逆回火脆性，与常规淬火工艺比，获得相等硬度可用较低回火温度，兼有更高韧性，且可抑制应力集中与阻碍裂纹萌生及扩展。亚温淬火组织中存在未溶铁素体，使奥氏体中碳和合金元素含量增加，淬火后存在少量稳定的残余奥氏体，亦可阻止裂纹的萌生与扩展；亚温淬火可降低有害杂质元素在奥氏体晶界偏聚，起到净化晶界作用；亚温淬火温度低，经形变淬火而细化了的未溶铁素体可阻止晶粒长大，沿淬火前原粗大奥氏体晶界可形成极细的奥氏体晶粒，晶粒细化，晶界增多，因而单位界面上有害杂质元素含量降低，有利于增加强韧性，降低缺口敏感性。亚温淬火时原始组织内不得呈严重网状、大块或带状，不允许存在魏氏体等。如存在，亚温淬火前需要预处理使之溶解消除。
对于20SiMnTi钢，我设计的亚温淬火工艺为940℃水淬+780℃亚温淬火+220℃回火，获得回火马氏体+条状铁素体，具有最佳的综合性能。
二 淬火前的组织形态对亚温淬火后行能的影响。
1.实验材料
我们取原始组织分别为马氏体，贝氏体和正火态的20SiMnTi钢做分析研究对象。
表1 20SiMnTi钢的化学成分及临界点
元素质量分数/% 临界点/%
C Si Ti Mn S p A c1 A c3
0.22 0.50 0.01 1.35 0.028 0.016 730 890
将Φ14mm钢材机加工成Φ8mm的5倍标准试样和8*8*55（mm）的非标准冲击试样，拉伸试样按表2工艺进行处理, 以制取不同的原始组织。然后将不同原始组织钢加热到A c1～ A c3 区间的750℃、780℃、820℃保温12 m in 后水冷, 试样再经220℃×2 h回火, 测试它们的力学性能, 观察显微组织。
表2 原始组织制备工艺
热处理工艺 组织特性 硬度/HRC
940℃*12min 水淬 马氏体 47.0
940℃*12min 水淬+350℃*2h 贝氏体 42.5
正火态 铁素体+珠光体 34.0
2.实验结果与分析
(1)力学性能
由表3可见，随两相区中淬火加热温度的升高，奥氏体相对量增加，不同原始组织钢的强度升高，塑性下降。
表3 各种原始组织经亚温淬火后的性能
原始组织 亚温淬火 力学性能
σ0.2/% σb/% δ/% ψ/%
马氏体 750℃水淬 986 1025 14.0 46.5
780℃水淬 1238 1180 12.0 44.0
820℃水淬 1393 1261 9.5 34.0
贝氏体 750℃水淬 920 990 15.0 41.5
780℃水淬 1125 1365 13.5 40.5
820℃水淬 1236 1476 10.0 37.5
正火态 750℃水淬 616 750 17.8 43.0
780℃水淬 816 860 16.0 42.5
820℃水淬 930 980 14.3 40.3
不同原始组织钢加热到两相区同一温度时, 所形成的奥氏体量可以认为基本相同, 而其中原始组织为马氏体和贝氏体时经亚温淬火后的性能较为接近, 且明显优于原始组织为正火态。这种性能的差异主要是与所形成的马氏体和铁素体的形态、分布等有关。原始组织为马氏体的钢中, 基本上是平行的板条状组织, 在再次加热过程中, 碳化物α′相条间定向析出,到达两相区以后, 有马氏体中碳脱溶后转变成的铁素体继承了板条马氏体的取向, 保持了板条特征, 形成奥氏体与铁素体相互间隔的平行条状组织, 亚温淬火后, 马氏体在铁素体条间形成并同向长大, 即形成马氏体+ 铁素体条状组织即韧性相条状铁素体包围了强化相纤维状马氏体, 这种组织形态对钢的强度提高起了有益的作用。此外, 亚温淬火时条状奥氏体转变为马氏体过程中必然影响邻近未转变的条状铁素体, 并使其发生硬化。由于条状铁素体中的位错密度明显高于块状铁素体,因此, 它对提高亚温淬火钢的强度也有一定的贡献。而下贝氏体原始组织经亚温淬火后的性能也与其基本相同, 因为下贝氏体基本上呈平行条状分布, 其中碳化物按一定方向沉淀在铁素体条内。这种原始组织经亚温淬火后也是形成条状马氏体和铁素体两相组织, 所以贝氏体与马氏体原始组织钢经亚温淬火后的性能较为接近。而正火态原始组织钢经亚温淬火后则形成块状铁素体这种块状铁素体也较易成为裂纹扩展通道, 再加上块状铁素体中的位错密度低于条状铁素体中的位错密度所以, 经亚温淬火后它的强度明显低于同一温度下原始组织为马氏体和贝氏体组织的钢。因此, 经亚温淬火后的强度不仅取决于强化相马氏体的含量, 而且取决于韧性相铁素体的形态和分布。
亚温淬火处理的强韧化效果与亚温淬火温度有关。由表3可知, 在820℃、750℃亚温淬火的强韧化效果不如在780℃亚温淬火的好。这可能是由于亚温淬火温度过高或过低, 硬相马氏体与软相铁素体体积分数相差太大, 无法协调配合。而在780℃淬火, 硬相马氏体与软相铁素体相对量适宜, 能在强度和塑韧性上较好配合, 因而综合性能较好。
由表4可见, 马氏体与贝氏体原始组织钢经过亚温淬火后再回火的冲击性能较好, 而且断口基本上是韧窝。而正火态原始组织钢经亚温淬火后的冲击性能较差。这应与钢中组织形态有关。具有马氏体和贝氏体原始组织的钢经亚温淬火后, 它们的组织是条状马氏体和铁素体, 这种形态分布的铁素体可以起到板条马氏体之间的残余奥氏体薄膜的类似作用, 即在变形时铁素体能缓解裂纹前端的应力改变裂纹的走向; 协调马氏体应变; 缓解马氏体的应变能力, 从而使淬火钢的韧性升高。如果铁素体呈块状分布, 则它们不能与马氏体协同应变, 成为裂纹源或裂纹通道, 所以这种块状分布铁素体钢的韧性较低。
表4 各原始组织经780℃淬火+220℃*2h回火冲击韧度
原始组织 马氏体 贝氏体 正火态
冲击韧度AK J/cm2 98.2 89.5 68.5
(3)结论
1.预淬火(马氏体、贝氏体原始组织钢) + 亚温淬火+ 低温回火可获得较高的强度和一定的塑性, 具有明显的强韧化效果。
2.亚温淬火强韧化效果与两相区加热温度有关,随着两相区加热温度的降低, 马氏体的体积百分数下降, 强度和硬度逐渐下降, 塑性逐渐提高。20SiMnTi钢经940℃水淬+ 780℃亚温淬火+ 220℃回火以后, 得到回火板条马氏体+ 条状铁素体, 强度和塑性配合最好。
3.亚温淬火后的强度不仅取决于强化相马氏体的含量, 而且取决于韧性相铁素体的形态和分布。
根据上述结论，在相同的淬火温度下亚温淬火后组织的性能绝大部分取决于淬火前的组织形态，数据表明，原始组织为马氏体的低碳钢亚温淬火后的性能最为优异，所以对于20SiMnTi钢的亚温淬火工艺940℃水淬+780℃亚温淬火+220℃回火是可行的，淬火后获得回火马氏体+条状铁素体。
三 与普通淬火工艺的比较
普通淬火工艺是淬火+低温回火。即把工件加热到AC3线以上完全奥氏体化，充分保温后进行水淬或者油淬，获得马氏体+残余奥氏体。工件硬度高，强度大，但塑性韧性差。低温回火后，工件硬度强度不下降，但塑性韧性上升，整体性能较好。但由于淬火时冷速过快，具有较大的淬火内应力，工件容易开裂，废品率较高。
和普通淬火工艺相比，亚温淬火在淬火时所需的温度较低，因而所需的能量较小。淬火时工件内部热应力较小，废品率较低，高温回火后的组织和普通淬火后高温回火的组织相比，其组织更均匀，力学性能更为优异。在相同的力学性能要求下，亚温淬火后的回火温度要低于普通淬火，继而节省了能源，降低了工件的成本。
参考资料
1. 符蓉，王国顺(大连铁道学院) 不同原始组织对20SiMnTi钢亚温淬火力学性能的影响
热加工工艺2002年第3期
2. 王国顺，符蓉（大连铁道学院）20SiMnTi钢亚温淬火工艺研究
3. 周子年，马跃新（上海工业大学） 王小俊，姚继洪，张晨岚（上海第一石油机械厂） 各种原始组织对亚温淬火强韧性的影响 金属科学与工艺 1991年12月
4. 郭俊仓，王静宜 27SiMn钢的亚温淬火工艺研究 西安工业学院学报1995年9月
望各位达人帮我检查检查，论文中的不足和错误之处还望能指出，先谢谢了！ |
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发表于 2009-12-23 15:05:37
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