35CrMnSi低合金鋼淬火直徑與微觀組織的關(guān)系

張顯武， 丁雅莉， 楊卓越， 高 齊， 王勝民

(1. 昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(jié)構(gòu)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(gòu)件具有合理的硬度分布，因此自20世紀(jì)30年代開始就有關(guān)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的頂端淬火和截面硬度方法仍是評(píng)價(jià)低合金結(jié)構(gòu)鋼淬透性的主要方法[8]，根據(jù)端淬曲線上硬度與淬火馬氏體量的關(guān)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(yù)測(cè)實(shí)際構(gòu)件淬火后的馬氏體量和硬度分布，如預(yù)測(cè)鋼棒的實(shí)際淬火臨界直徑，并根據(jù)構(gòu)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(duì)應(yīng)關(guān)系，忽略了不同非馬氏體組織的影響，因?yàn)殍F素體+珠光體、上貝氏體和下貝氏體對(duì)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(duì)硬度、強(qiáng)度和沖擊性能的影響，探索了強(qiáng)韌性優(yōu)良的35CrMnSi超高強(qiáng)度鋼油冷淬火臨界直徑。

1 試驗(yàn)材料與方法

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

表1 試驗(yàn)35CrMnSi鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

對(duì)照組拉伸、沖擊試樣和φ20 mm鋼棒經(jīng)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(qū)域)，用10 kg載荷測(cè)試橫截面的維氏硬度，依鋼棒直徑確定硬度測(cè)試間隔(0.5 mm 或1 mm)，規(guī)格為φ20、φ40 mm的試樣每隔0.5 mm打一個(gè)點(diǎn)，規(guī)格為φ60、φ90 mm的試樣每隔1 mm 打一個(gè)點(diǎn)。

再?gòu)拇慊鸷蟮摩?0、φ40、φ60和φ90 mm鋼棒軸線中心切取對(duì)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(biāo)距區(qū)和沖擊試樣缺口區(qū)處于淬火鋼棒徑向一維冷卻區(qū)域。對(duì)照組拉伸和沖擊試樣以及從鋼棒內(nèi)切取的拉伸和沖擊試樣經(jīng)230 ℃×2 h回火，最后將所有拉伸、沖擊試樣加工成用于拉伸測(cè)試和沖擊測(cè)試的試樣，拉伸試樣標(biāo)距直徑φ5 mm、標(biāo)距長(zhǎng)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(yàn)機(jī)按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，利用JBN-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，每一組平行試樣2個(gè)，取其平均值作為最終值。在淬火鋼棒內(nèi)等同拉伸試樣標(biāo)距區(qū)或沖擊試樣缺口區(qū)的位置切取試樣，制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 室溫力學(xué)性能與淬火直徑的相關(guān)性

文獻(xiàn)[9]報(bào)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)90%淬火馬氏體的硬度，據(jù)此判斷35CrMnSi鋼油冷淬火鋼棒臨界直徑遠(yuǎn)高于已報(bào)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(biāo)準(zhǔn)[8]，35CrMnSi鋼0.33%碳含量對(duì)應(yīng)50%淬火馬氏體的硬度為39 HRC，據(jù)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(xué)性能的相關(guān)性(a)橫截面硬度分布；(b)強(qiáng)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(jīng)230 ℃×2 h回火后抗拉強(qiáng)度不低于對(duì)照組試樣，U型缺口沖擊吸收能量略低于對(duì)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(qiáng)度略有下降，但仍然滿足超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度和韌性的綜合要求，因此判斷35CrMnSi鋼油冷淬火臨界直徑應(yīng)不低于φ60 mm。

2.2 微觀組織與淬火直徑的相關(guān)性

對(duì)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(guān)性不同于SAE J406標(biāo)準(zhǔn)提供的對(duì)應(yīng)關(guān)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(xiàn)[9-10]報(bào)道的φ40 mm 相吻合。然而，φ60 mm鋼棒試樣軸線中心組織內(nèi)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(yuǎn)高于按SAE J406標(biāo)準(zhǔn)50%淬火馬氏體對(duì)應(yīng)的硬度39 HRC，顯然下貝氏體替代馬氏體對(duì)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略有下降，不降低U型缺口沖擊吸收能量，即下貝氏體對(duì)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(shuō)明粒狀貝氏體和上貝氏體影響35CrMnSi鋼硬度有限，再次說(shuō)明SAE J406中傳統(tǒng)的淬火馬氏體量預(yù)測(cè)35CrMnSi鋼淬火臨界直徑小于實(shí)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(jié)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(guān)性不再符合SAE J406標(biāo)準(zhǔn)提供的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)油冷淬火鋼棒軸線中心的硬度，并依據(jù)超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)韌性要求，35CrMnSi鋼油冷淬火實(shí)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(duì)硬度影響有限，450 HV10(46 HRC)的硬度遠(yuǎn)高于SAE J406標(biāo)準(zhǔn)50%淬火馬氏體對(duì)應(yīng)的硬度，因此按SAE J406標(biāo)準(zhǔn)的淬火馬氏體量預(yù)測(cè)35CrMnSi鋼臨界淬火直徑小于實(shí)際值。