分享：淬火配分对工程机械用22MnB5钢组织与性能的影响

0.   引言

现代工程机械轻量化、大型化方向的发展对工程机械用钢的性能也提出了更高要求,特别是强韧性[1-2]。将钢加热到奥氏体化温度后在模具中进行快速冲压成形,在保压状态下进行淬火冷却的热冲压成形技术是高强度工程机械构件的重要制造工艺[3-4]。然而,热冲压成形工艺制备的构件组织几乎全是马氏体,韧塑性相对较差[5],在使用过程中容易造成开裂并影响使用寿命和安全性[6],因此有必要对热冲压成形件进行后续热处理以改善其强韧性。淬火配分热处理工艺是一种将钢奥氏体化后先淬火至马氏体转变温度,再在一定温度停留以使碳由马氏体扩散至奥氏体,调控马氏体和残余奥氏体含量而改善强韧性的热处理工艺[7]。将淬火配分工艺应用于热冲压成形过程,有望获得高强度和高塑性的构件。但是目前,淬火配分工艺对热冲压成形钢组织与力学性能的影响规律尚未清楚[8-10]。 

22MnB5钢是一种高强度钢,主要用于机械、船舶、车辆和容器等工程结构。作者以热冲压成形22MnB5钢为研究对象,对其进行了不同工艺淬火配分以及直接淬火处理,对比研究了淬火配分工艺对22MnB5钢组织和性能的影响。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为冷轧退火态22MnB5钢板,厚度为2 mm,由中国宝武钢铁集团有限公司提供；采用电感耦合等离子发射光谱法测得其主要化学成分（质量分数/%）为0.22C,1.38Mn,0.26Si,0.22Cr,0.003 2B,0.006P,0.002S,余Fe。采用Formastor-FⅡ型全自动相变仪和DIL805型热膨胀仪测得其奥氏体化温度Ac3为865 ℃,马氏体转变开始温度Ms为367 ℃,马氏体转变结束温度Mf为295 ℃。根据相变温度将奥氏体化温度设为915 ℃,淬火终点温度在Ms~Mf[11]之间。 

将试验钢在Nabertherm LHT08/18型热处理炉中加热至915 ℃（Ac3以上）,保温180 s进行奥氏体化后分别进行直接淬火至室温（直接淬火）,淬火至不同配分温度（305,330 ℃）保温不同时间（10,20,30,60,80,100,120 s）后水淬至室温（一步法淬火配分）以及淬火至330 ℃再升温至405 ℃保温20 s配分后水淬至室温（两步法淬火配分）处理。 

在淬火配分后试验钢上制备金相试样,经磨抛、用体积分数3.5%的硝酸乙醇溶液腐蚀后,采用Nova NanoSEM 450型扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌。采用XRD-7000型X射线衍射仪（XRD）进行物相分析,钼靶,Kα射线,工作电压为35 kV,电流为200 mA,扫描速率为2（°）·min−1,根据XRD检测结果计算奥氏体含量[12]。根据GB/T 228.1—2010制取尺寸如图1所示的拉伸试样,采用MTS-810型液压伺服万能试验机进行拉伸试验,测试温度为室温,拉伸速度为0.05 mm·s−1[13]。经丙酮超声清洗后,采用S-4800型SEM观察拉伸断口形貌。 

图  1  拉伸试样的尺寸

Figure  1.  Size of tensile sample

2.   试验结果与讨论

2.1   对显微组织的影响

由图2可见：淬火至330 ℃保温60 s的一步法淬火配分试样和直接淬火试样的XRD谱中均出现α相（马氏体）的（110）、（200）和（211）晶面衍射峰；此外,一步法淬火配分试样中还存在γ-奥氏体（111）、（200）、（220）和（311）晶面衍射峰,而直接淬火试样的XRD谱中未见明显γ-奥氏体衍射峰,表明直接淬火试样中基本没有残余奥氏体[14-15]。计算可得,淬火至330 ℃保温60 s配分的一步法淬火配分试样中的残余奥氏体含量（体积分数,下同）为5.3%。 

图  2  一步法淬火配分(配分温度330 ℃,配分时间60 s)试样和直接淬火试样的XRD谱

Figure  2.  XRD spectra of one-step quenching-partitioning (partitioning temperature of 330 ℃ and partitioning time of 60 s) and direct quenching samples

由图3可见：一步法工艺下,当配分温度为305 ℃,配分时间为10 s时,试样的显微组织主要为淬火马氏体,碳化物析出较少；配分时间延长至60 s,试样的显微组织为回火马氏体,碳化物析出增多；继续延长配分时间至120 s,马氏体板条束界面模糊,碳化物析出数量增多,部分碳化物发生粗化长大。当配分温度为330 ℃时,随着配分时间延长,马氏体和碳化物的整体变化趋势与配分温度305 ℃时相似,但是由于其淬火终点温度和配分温度更高,相同配分时间下的一次马氏体（第一次淬火）含量相对较低[16-17],二次马氏体（第二次淬火形成）含量相对较高。 

图  3  不同配分温度和时间下一步法淬火配分试样的显微组织

Figure  3.  Microstructure of one-step quenching-partitioning samples at different partitioning temperatures and times

从图4可见,与淬火终点温度相同的一步法淬火配分试样相比,两步法淬火配分工艺的配分温度较高（405 ℃）,试样的回火会相对更加充分,因此显微组织中形成轮廓模糊的板条马氏体、亮白色碳化物和少量块状马氏体,且由于较高配分温度下的残余奥氏体分解更加完全,碳化物尺寸也更加粗大；直接淬火试样中有轮廓清晰的板条马氏体,表现出典型淬火马氏体特征,且亮白色碳化物数量较少。 

图  4  两步法淬火配分试样和直接淬火试样的显微组织

Figure  4.  Microstructure of two-step quenching-partitioning samples (a) and direct quenching samples (b)

2.2   对拉伸性能的影响

由图5可见：随着配分时间延长,一步法淬火配分试样的抗拉强度减小,断后伸长率先增大后减小,强塑积先减小后增加再减小。试样的断后伸长率和强塑积均在配分时间为60 s时最大,当配分温度分别为305,330 ℃时,试样断后伸长率分别为14.3%,14.5%,强塑积分别为20 349,20 590 MPa·%,此时抗拉强度分别为1 423,1 420 MPa。当配分时间由10 s延长至20 s时,试样强塑积均有所减小,这主要是因为此时试样的强度降低幅度较大,而断后伸长率增加幅度较小。两步法淬火配分试样的抗拉强度、断后伸长率和强塑积分别为1 373 MPa,13.1%,17 986 MPa·%,直接淬火试样分别为1 670 MPa,9.0%,15 030 MPa·%。可见：与两步法淬火配分试样相比,相同淬火终点温度和配分时间下一步法淬火配分试样的强度和强塑积较高,而直接淬火试样的强塑积较低,这因为其强度虽较高,但断后伸长率明显较小。因此,采用一步法淬火配分工艺对试验钢进行热处理可以取得相对两步法淬火配分和直接淬火法更好的强度和塑性结合。 

图  5  不同配分温度下一步法淬火配分试样的拉伸性能随配分时间的变化曲线

Figure  5.  Variation curves of Tensile properties vs partitioning times of one-step quenching-partitioning samples at different partitioning temperatures: (a–b) tensile strength and percentage elongation after fracture and (c) product of strength and elongation

由图6可见：不同配分温度和配分时间下一步法淬火配分试样的拉伸断口均主要由尺寸不等的韧窝和局部撕裂棱组成,表现出韧性断裂特征[18]。相比配分时间为120 s下,配分时间为60 s下的拉伸断口中大尺寸韧窝的数量较多且韧窝较深,说明试样断后伸长率较大,塑性较好。 

图  6  不同配分温度和时间下一步法淬火配分试样的拉伸断口形貌

Figure  6.  Tensile fracture morphology of one-step quenching-partitioning samples at different partitioning temperatures and times

由图7可见：两步法淬火配分试样和直接淬火试样的拉伸断口均主要由细小的等轴韧窝组成,整体表现为韧性断裂特征,但是与相同条件下一步法淬火配分试样的拉伸断口相比,韧窝平均直径较小、韧窝深度较浅,韧性相对较差[19],这与拉伸性能的测试结果相吻合。 

图  7  两步法淬火配分试样和直接淬火试样的拉伸断口形貌

Figure  7.  Tensile fracture morphology of two-step quenching-partitioning samples (a) and direct quenching samples (b)

3.   结论

（1）经不同配分温度和时间的一步法淬火配分后,22MnB5钢主要由马氏体和碳化物组成,配分时间为60 s时钢中碳化物数量较多、尺寸较小。两步法淬火配分后22MnB5钢主要由轮廓模糊的板条马氏体、少量块状马氏体和碳化物组成,且残余奥氏体分解更完全、碳化物尺寸更大。直接淬火处理的22MnB5钢中板条马氏体清晰,碳化物数量较少,呈典型淬火马氏体特征。 

（2）随着配分时间延长,一步法淬火配分试样的抗拉强度减小,断后伸长率先增大后减小,强塑积先减小后增加再减小,断后伸长率和强塑积均在配分时间为60 s时最大。相同的淬火终点温度与配分时间下,直接淬火试样、两步法淬火配分试样、一步法淬火配分试样的强塑积依次增加,相比之下,一步法淬火配分可以获得更好的强度塑性结合。 

（3）不同配分温度和配分时间下一步法淬火配分试样的拉伸断口均主要由尺寸不等的韧窝和局部撕裂棱组成,呈韧性断裂特征。相比之下两步法淬火配分试样和直接淬火试样韧窝平均直径较小、韧窝深度较浅,韧性略差。

文章来源——材料与测试网