分享：正火工艺参数对轨道交通用20MnV弹簧钢显微组织与力学性能的影响

王绍军１,罗 峰２,秦 岚２

(１．山东职业学院城市轨道交通系,济南 ２５０１０４;２．山东大学材料科学与工程学院,济南 ２５０１００)

摘 要:对轨道交通用２０MnV 弹簧钢进行了不同温度(７８０,８３０,８８０,９３０,９８０ ℃)和不同时间(０．５,０．７５,１,１．２５h)的正火处理,研究了正火温度和正火时间对试验钢显微组织和力学性能的影响.结果表明:随着正火温度升高,２０MnV 弹簧钢组织由不均匀铁素体和粒状贝氏体转变为等轴铁素体和块状铁素体;当正火温度低于８３０ ℃时,随着正火温度的升高,试验钢的屈服强度和抗拉强度降低,断后伸长率和低温冲击功增大;当正火温度高于８３０ ℃后,试验钢的屈服强度和抗拉强度均随着正火温度升高而增加;在不同正火时间下,试验钢的显微组织均为等轴铁素体和块状珠光体;随着正火时间的延长,试验钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、低温冲击功均先增后降;当正火温度为９３０ ℃、正火时间为１h时,试验钢的力学性能最佳.

关键词:２０MnV 弹簧钢;正火温度;正火时间;显微组织;力学性能

中图分类号:TG１５６．４ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００３３Ｇ０５

０ 引 言

近年来,我国城市轨道交通设施得到快速发展,这对轨道交通用高强高塑性及低成本的低温弹簧钢提出了更高的要求.低温弹簧钢是指适用于０℃以下低温环境的钢材.在低温环境下服役的弹簧钢由于受冲击载荷作用通常存在低温脆断现象,如何解决弹簧钢低温脆性问题成为扩大弹簧钢应用领域、提升其安全储备的关键[１].微合金化、形变热处理、

控轧控冷等方法是提高低温弹簧钢综合力学性能的有效手段[２].其中,基于控轧控冷的热机械控制工艺(TMCP)通过对钢坯加热温度、轧制温度、变形量、变形速率、终轧温度和轧后冷却工艺参数的合理控制,可显著提高钢坯强韧性,因而广泛应用于低温弹簧钢的生产.由于 TMCP 热轧钢的组织均匀性较差且力学性能波动较大,需要对其进行后续热处理[３Ｇ４].目前,国内外对 TMCP 热轧钢的热处理工艺研究较少,低温下该钢的断裂行为及其机理仍不清楚.为此,作者以 TMCP工艺制备的２０MnV 弹簧钢为研究对象,研究了正火工艺参数(温度、时间)对该钢显微组织和力学性能的影响,为高强高塑性以及良好低温性能弹簧钢的开发提供参考.

１ 试样制备与试验方法

试验 材 料 为 采 用 TMCP 工 艺 生 产 的 热 轧 态２０MnV弹簧钢,尺寸为１００mm×８０mm×１２mm,由宝山钢铁股份有限公司提供,化学成分如表１所示.

将试验钢表面用水冲洗并自然风干后,采用德国NaberthermLE２/１１/R７型电炉在温度分别为７８０,８３０,８８０,９３０,９８０ ℃下正火处理,正火时间分别为０．５,０．７５,１,１．２５h正火处理.上述试验钢处理后均在空气中冷至室温.在正火处理前后的试验钢上截取金相试样,经研磨、抛光后,用体积分数为３．５％的硝酸酒精溶液腐蚀,在IX８３型光学显微镜(OM)和 SＧ４８００型冷场发射扫描电镜(SEM)下观察显微组织,并按照 GB/T６３９４－２０１７,采用附带ImageＧproplus６．０图像分析软件测定平均晶粒尺寸.使用JEOLＧ２０１０型透射电镜(TEM)观察微观形貌,并用附带的能谱仪(EDS)测定微区成分.在正火处理后的试验钢上截取尺寸为１０mm×１０mm×５５mm 的试样,按照 GB/T２２９－２００７,在 DPＧ３００ 型 落 锤 冲 击 试 验 机 上 分 别 进 行－２５℃和－４０ ℃冲击试验,采用液氮冷却.在正火处理后 的 试 验 钢 上 截 取 尺 寸 为 ３９ mm×８ mm×２mm的 试 样,按 照 GB/T ２２８．１－２０１０,在 QXＧW５５０ 型电子拉伸试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为１．５mm??min－１.

２ 试验结果与讨论

２．１ 正火温度对显微组织和力学性能的影响

２．１．１ 正火温度对显微组织的影响

由图１可以看出,正火处理前试验钢组织中存在条状 铁 素 体 (SF)、珠 光 体 (P)和 少 量 针 状 铁 素 体(AF),其中条状铁素体晶界较为清晰,而针状铁素体晶界模糊且不完整.热轧变形后,弹簧钢呈现出珠光体和铁素体交替的带状分布特征.

由图２可以看出:在不同温度下正火处理１h后,当正火温度为７８０℃和８３０℃时,试验钢组织均为不均匀条状及针状铁素体和粒状贝氏体,且具有带状分布特征;当正火温度升至８８０℃和９３０℃时,条状铁素体和针状铁素体组织均转变为等轴铁素体和块状铁素体,但仍保留着带状分布特征,这时等轴铁 素体和块状铁素体平均晶粒尺寸分别为１１．３μm

和１２．２μm;当正火温度升至９８０ ℃时,试验钢组织中的带状分布特征基本消失,组织为粗大的铁素体和少量 魏 氏 体 (WF),铁 素 体 平 均 晶 粒 尺 寸 达 到２２．８μm,明显大于８８０ ℃和９３０ ℃时的.由图３可以看出:正火处理前试验钢组织中有近似 平 行 排 列 的 针 状 铁 素 体,束 径 宽 度 为 ５８０~１０００nm,在铁素体界面处有尺寸不等且断续分布的类球形碳化物(粒径为１４０~４８０nm).由表２能谱 分 析 结 果 结 合 文 献 [４]可 知,这 些 碳 化 物 为(Fe,Mn)３C相.当正火温度为８３０ ℃和９３０ ℃时,试验钢内铁素体晶界上碳化物的颗粒尺寸均较小,在晶内存在类球形析出相.由表２能谱分析结果结合文献[５]可知,这些析出相为 MX 型碳化钒(VC)相,且当正火温度为９３０ ℃时析出相数量较多.在TMCP轧制过程中,试验钢较快的冷却速率缩短了碳原子扩散时间,使碳和钒元素在晶界偏聚形成碳化物;在后续的正火处理过程中,该碳化物发生重溶并在冷却过程中从基体中弥散析出[６].当正火温度为９３０℃时,试验钢中的钒元素能充分溶解于奥氏体相中,从而在奥氏体向铁素体转变过程中析出更多细小的 VC相合文献[５]可知,这些析出相为 MX 型碳化钒(VC

２．１．２ 正火温度对力学性能的影响

由表３可以看出,正火处理前２０MnV 弹簧钢的屈服强度和抗拉强度较高,断后伸长率较大,呈现出良好的塑性,但在－２５ ℃和－４０ ℃下冲击功较低,说明 试 验 钢 存 在 低 温 脆 性 问 题.这 是 因 为试验钢中有 高 密 度 位 错 的 针 状 铁 素 体,在 塑 性 变形中易产生 位 错 缠 结 和 位 错 塞 积,提 高 位 错 运 动的阻力,从而提高屈服强度和抗拉强度,而晶界粗大的(Fe,Mn)３C 碳化物和条带状组织,使试 验 钢在塑性变形 中 易 产 生 应 力 集 中 和 微 裂 纹,从 而 降低其低温冲击性能[９].

由表４可以看出:在不同温度下正火处理１h后,２０MnV 弹簧钢的屈服强度和抗拉强度比正火处理前的有不同程度降低;当正火温度低于８３０℃时,随着正火温度的升高,试验钢的屈服强度和抗拉强度降低,断后伸长率和低温冲击功增大;当正火温度高于８３０ ℃时,试验钢的屈服强度和抗拉强度随着正火温度升高而增加;当正火温度为８３０~９３０ ℃时,正火处理后试验钢的断后伸长率和低温冲击功比正火处理前的更高,其塑性更好但屈强比更低.综合来看,当正火温度为９３０℃时,试验钢具有最佳的力学性能.

综上,在不同温度正火处理后,试验钢基体的位错密度降低、内应力逐渐消除,条状铁素体和针状铁素 体 组 织 逐 渐 转 变 为 细 小 的 等 轴 铁 素 体 晶粒,晶粒细化后起到细晶强化的作用[１０],从而提高试验钢的 强 塑 性.此 外,正 火 处 理 后 试 验 钢 晶 界处的(Fe,Mn)３C 碳化物消失,晶内弥散析出 的 纳米级 MX型 VC 相 起 到 弥 散 强 化 的 作 用[１１],改 善

了试验钢的低温冲击性能.

２．２ 正火时间对显微组织和力学性能的影响

２．２．１ 正火时间对显微组织的影响

由图４可见:在９３０ ℃、不同时间正火处理后,试验钢的显微组织均为等轴铁素体和块状珠光体;当正火时间为０．５h时,碳和钒元素由于正火时间较短来不及充分扩散,造成富碳区稳定性增加并形成少量富碳奥氏体小岛[７],此时铁素体的平均晶粒尺寸为１１．３μm;当正火时间延长至０．７５h和１h时,铁素体晶粒分布更均匀,平均晶粒尺寸分别为１１．６μm 和１２．２μm;当正火时间延长至１．２５h时,铁素体平均晶粒尺寸增至１４．５μm,相邻铁素体之间界面逐渐模糊[８],带状特征基本消失,这是由于正火时间延长使部分铁素体发生粗化和长大导致的.

２．２．２ 正火时间对力学性能的影响

由表５可以看出:在９３０℃下,随着正火时间的延长,试验钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、－２５℃和－４０ ℃下的冲击功都呈现先增后降的趋势,当正火时间为１h时均达到最大;不同正火时间下屈强比的变化不大.对比表３可知,不同正火时间下试验钢的屈服强度和抗拉强度都明显低于正火处理前 的,而 断 后 伸 长 率 与 正 火 处 理 前 的 相 近,－２５ ℃和－４０ ℃下的冲击功和正火处理前的相比有显著提高.

３ 结 论

(１)随着正火温度的升高,２０MnV 弹簧钢组织由不均匀铁素体和粒状贝氏体转变为等轴铁素体和块状铁素体;当温度升至９８０℃时,组织为粗大的铁素体和少量魏氏体;当正火温度低于８３０℃时,随着正火温度的升高,试验钢的屈服强度和抗拉强度降低,断后伸长率和低温冲击功增大;当正火温度高于８３０℃时,试验钢的屈服强度和抗拉强度均随着正火温度升高而增加,且当正火温度为８３０~９３０ ℃时具有较高的塑性和低温冲击功;当正火温度为９３０ ℃时,试验钢力学性能最佳.

(２)在９３０℃、不同时间正火处理后,２０MnV 弹簧钢的显微组织均为等轴铁素体和块状珠光体;随着正火时间的延长,弹簧钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、低温冲击功均先增后降,且当正火时间为１h时均达到最大值;不同正火时间下屈强比变化不大.

（文章来源：材料与测试网-机械工程材料 > 2019年 > 7期 > pp.33）