摘 要:為提高釩微合金鋼的條件斷裂韌度,利用 ThermoＧCalc熱力學(xué)軟件分析了含碳量(質(zhì)量 分?jǐn)?shù))為０．６０％的鋼在釩元素含量不同時,其析出相隨溫度的變化,確定了合適的釩元素含量.通 過熱力學(xué)計(jì)算及奧氏體晶粒度試驗(yàn),提出了臺階式熱處理工藝,并采用高溫金相熱模擬試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn) 室馬弗爐對工藝效果進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明:臺階式熱處理工藝促進(jìn)了鐵素體形成,同時不會明顯 降低鋼的硬度,使得試樣強(qiáng)度和韌性均達(dá)到預(yù)定目標(biāo),明顯改善了釩微合金鋼的強(qiáng)韌配合關(guān)系.

關(guān)鍵詞:微合金鋼;釩;熱力學(xué)模擬;高溫金相;臺階式熱處理;奧氏體粗化溫度

中圖分類號:TG１５６;TG１６４．４＋１３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８３０Ｇ０６

微合金鋼在熱加工、熱處理過程中會產(chǎn)生復(fù)雜 的第二相析出,從而對材料性能產(chǎn)生影響[１Ｇ６].其中 含釩(V)元素的第二相具有阻礙奧氏體晶粒長大、 增加晶內(nèi)鐵素體形核核心、細(xì)化鐵素體晶粒等作用, 因此受到了廣泛的關(guān)注[７Ｇ９].

熱處理工藝是否合適直接關(guān)系到環(huán)件產(chǎn)品的質(zhì) 量[１０Ｇ１１].張懷宇等[１２]對環(huán)件鋼進(jìn)行了 G１eeble熱 模擬和球化退火試驗(yàn),提出了一種可顯著縮短傳統(tǒng) 球化退火時間的工藝.此外,采用二次調(diào)質(zhì)的方法 可以細(xì) 化 晶 粒、提 高 產(chǎn) 品 低 溫 沖 擊 吸 收 能 量 和 強(qiáng)度[１３].

傳統(tǒng)環(huán)件熱處理生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)[１４Ｇ１５],對于含碳 量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為０．６０％的高碳鋼,采用釩微 合金化可有效提高材料強(qiáng)度.但鑄輾復(fù)合成形新工 藝多場、多因素耦合的復(fù)雜性以及成形過程中變形的不均勻性,使得環(huán)件產(chǎn)品晶粒尺寸分布不均,條件 斷裂韌度的提升幅度受到限制,強(qiáng)度和塑韌性無法 實(shí)現(xiàn)最佳配合,釩元素在改善強(qiáng)韌配合關(guān)系上的作 用沒能 得 到 有 效 發(fā) 揮.為 此,筆 者 利 用 ThermoＧ Calc熱力學(xué)軟件相關(guān)數(shù)據(jù)庫及熱力學(xué)模型對含碳 量為０．６０％的微合金鋼中含釩元素的第二相析出 行為進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了不同的釩含量和熱處理工 藝,以期在不明顯降低鋼的強(qiáng)度的前提下提高其條 件斷裂韌度.同時,在實(shí)驗(yàn)室對高碳微合金鋼的成 分及熱處理工藝設(shè)計(jì)效果進(jìn)行了驗(yàn)證.

１ 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用含碳量為０．６０％的釩微合金鋼. 試驗(yàn)?zāi)康臑闊崽幚砗?其硬度超過２９０HV,條件斷 裂韌度 KQ 超過６０MPa??m－１/２.

為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高韌的性能目標(biāo),需確定合適的釩 元素含量控制目標(biāo),同時制定能夠平衡好晶粒細(xì)化 和析出強(qiáng)化關(guān)系的熱處理工藝.方法如下:

(１)利用 ThermoＧCalc軟件對熱處理過程中第 二相 V(CN)的析出行為進(jìn)行分析,指導(dǎo)釩元素含量 及熱處理工藝設(shè)計(jì).

(２)采用超高溫激光共聚焦顯微鏡對熱處理工 藝的效果進(jìn)行初步評價.

(３)采用馬弗爐對硬度、斷裂韌度試樣進(jìn)行熱 處理,并驗(yàn)證工藝效果.

２ ThermoＧCalc熱力學(xué)模擬

ThermoＧCalc軟件是基于 CALPHAD 方法(由 瑞典皇家工學(xué)院的SUNDMANB等人編寫),包括 了歐洲共同體熱化學(xué)科學(xué)組(SGTE)共同研制的物 質(zhì)和溶液的數(shù)據(jù)庫.TCFE５是２００６年發(fā)布的用于 鐵基合金的數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫可揭示析出物的演變 規(guī)律,為析出物的研究提供理論指導(dǎo)[１６].

釩是比較常見的微合金元素,通常在鋼中的含 量控制在０．０４％~０．１２％ [１７].根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),釩含 量低于０．０６％時,其提高強(qiáng)韌性的作用并不明顯; 而釩含量超過０．１０％時,鋼在熱處理過程中會析出 大量第二相,強(qiáng)度大幅提高,但韌性會降低,對提升 強(qiáng)韌性匹配關(guān)系極為不利.此研究中的模擬計(jì)算設(shè) 定了兩種釩含量,其中 １ 號鋼為 ０．０９％,２ 號鋼為 ０．０７％,碳含量均設(shè)定 為 ０．６０％,其 余 元 素 含 量 相 同.根據(jù)下式計(jì)算相變溫度(℃)[１８]

式中:w 為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

估算可得:１號鋼 Ac１＝７４０ ℃,Ac３＝７８７ ℃;２ 號鋼Ac１＝７３９ ℃,Ac３＝７８４ ℃.由此可知,釩元素 含量對相變點(diǎn)的影響不大.

ThermoＧCalc軟 件 計(jì) 算 得 出 的 相 圖 如 圖 １ 所 示.圖１a)和b)中曲線３均為 V(CN)相含量隨溫 度的 變 化 曲 線. 可 見 釩 元 素 含 量 雖 然 不 同,但 V(CN)相的析出溫度均為１１００ ℃左右;隨溫度降 低,釩元素在鋼中固溶度下降,在兩相區(qū)的降幅較 緩,即 V(CN)相的析出溫度隨釩元素含量變化不 大;釩元素含量從０．０７％增加至０．０９％時,其固溶 和析出的變化規(guī)律一致,高溫時釩元素在奧氏體中 的固溶度增加,冷卻時在兩相區(qū)、鐵素體區(qū)中析出的 V(CN)相增加,這有利于強(qiáng)度的提升.

V(CN)相析出量與溫度之間的關(guān)系如圖２所 示.在 奧 氏 體 溫 度 區(qū) 間 內(nèi),釩 元 素 含 量 為 ０．０９％ 時,V(CN)相析出量更大,這有利于晶粒細(xì)化,從而 達(dá)到提高韌性的目的.

綜上所述,釩元素含量為０．０９％ 時,更有利于 平 衡析出強(qiáng)化與晶粒細(xì)化的關(guān)系,從而為改善強(qiáng)韌性匹配關(guān)系提供有利條件.因此,試驗(yàn)中釩元素含 量控制目標(biāo)確定為０．０９％.

由圖２還可以看出,在奧氏體溫度區(qū)間,隨溫度 降低,部分 固 溶 的 釩 元 素 從 奧 氏 體 中 析 出 而 產(chǎn) 生 V(CN).這部分 V(CN)在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變過程中 并不參與強(qiáng)化,但可促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體形成,從而提高 韌性.因此,從提高釩微合金化鋼韌性的角度考慮, 利用釩元素在奧氏體中固溶度的變化,采用先高后 低的臺階式熱處理工藝(圖３),可改善強(qiáng)韌性匹配 關(guān)系.其原理在于高臺階奧氏體化溫度可提高成分 均勻性[１９Ｇ２０],保證了已經(jīng)析出的 V(CN)相在隨后低 臺 階奧氏體化溫度保溫時的分布均勻性,進(jìn)而在過冷奧氏體轉(zhuǎn)變后,既提高了鐵素體含量,又實(shí)現(xiàn)了鐵 素體均勻分布,從而起到提高韌性的作用[２１Ｇ２２].

臺階式熱處理工藝有兩個關(guān)鍵點(diǎn):一是高臺階 溫度應(yīng)低于鋼的奧氏體晶粒粗化溫度,以消除奧氏 體晶粒異常長大對韌性的影響,因此需要通過試驗(yàn) 確定鋼的奧氏體晶粒粗化溫度;二是低臺階溫度不 宜過低,應(yīng)避免奧氏體中 V(CN)析出量過大,保證 強(qiáng)度下降在可接受的范圍內(nèi).不同高、低臺階溫度 下奧氏體中 V(CN)相的質(zhì)量變化估值如圖４所示. 可見臺階式熱處理工藝可使 V(CN)相的析出量增 加;V(CN)相的質(zhì)量增長率隨高、低臺階溫度之間 溫差增大而顯著提高.

３ 熱處理工藝研究

３．１ 試樣制備

采用ZCX０２Ｇ２６Ｇ１型２００kg真空感應(yīng)爐冶煉試 驗(yàn)用鋼并澆注成錠,鋼錠的化學(xué)成分見表１.將鋼 錠加熱至１２００ ℃,高溫鍛造成與環(huán)件坯截面尺寸 一致的６０mm×６０mm 方坯.

３．２ 奧氏體晶粒度試驗(yàn)

在鋼坯上取樣并精加工成１８ mm×１２ mm× １２mm 條狀試樣,置入氣氛爐中加熱至 ８２０,８４０, ８６０,８８０,９００,９２０ ℃,保溫１０min后立即淬火.按 GB/T６３９４－２０１７«金屬平均晶粒度測定方法»,采 用截點(diǎn)法測定最大及平均晶粒截線長度,用下式計(jì) 算相應(yīng)的晶粒度級別.

式中:G 為晶粒度;l為平均晶粒截線長度,mm.

不同加熱溫度下奧氏體晶粒尺寸及晶粒度如 圖５所示.可見隨著加熱溫度的升高,奧氏體晶粒不斷 長 大. 從 提 高 韌 性 角 度 考 慮,晶 粒 度 低 于 ５．０級時對韌性不利,即９２０ ℃不宜作為該鋼高臺 階熱處理溫度.結(jié)合圖２和圖４,將高臺階溫度設(shè) 定為８８０ ℃.

根據(jù)«工程用鋼的組織轉(zhuǎn)變與性能圖冊»[２０]估 算得６０mm×６０mm 方坯在８８０℃下保溫后,其心 部溫度降至８４０℃需約４０s.為研究保溫時間對奧 氏體晶粒尺寸的影響,將條狀試樣在８８０ ℃下保溫 １,３,５h進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見圖６.該鋼在８８０ ℃下保 溫時間 不 超 過 ５h 時,奧 氏 體 晶 粒 尺 寸 基 本 無 變 化[２３Ｇ２５].加熱溫度對奧氏體晶粒尺寸及晶粒度的 影響更大.結(jié)合圖 ４,當(dāng)?shù)团_階溫度為 ８４０ ℃ 時, V(CN)相析出質(zhì)量及質(zhì)量增加率更高.因此,該試 驗(yàn)將低臺階溫度設(shè)定為８４０ ℃.

３．３ 高溫金相熱模擬試驗(yàn)

在試驗(yàn)鋼坯上取樣,精加工至?７．５mm×３mm, 磨制、拋光后,采用 VL２０００DXＧSVF１７SP型超高溫 激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行熱處理模擬試驗(yàn),工藝方案 見表２.將加熱室抽至真空,在加熱、保溫過程中, 連續(xù)觀察奧氏體轉(zhuǎn)變及晶粒變化情況,冷卻后采用 Akashi維 氏 硬 度 計(jì) 進(jìn) 行 硬 度 檢 測,采 用 蔡 司 IMAGEA２M３５３００型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織分析.

３．４ 鍛坯實(shí)驗(yàn)室熱處理試驗(yàn)

在試驗(yàn) 鋼 鍛 坯 上 截 取 ６ 段 尺 寸 為 ６０ mm× ６０mm×１００ mm 的試樣,置于馬弗爐中進(jìn)行熱處 理,試驗(yàn)方案見表３.采用油冷２１０s后空冷是為了 使試樣內(nèi)部具有與熱模擬試樣相近的冷卻速率.根 據(jù)文獻(xiàn)[２６],算得試樣心部和表面的冷卻速率分別 為１．３ ℃??s－１和２．５ ℃??s－１.

如圖７所示,熱處理后再截取金相檢驗(yàn)、硬度測試 試樣和CT３０試樣.試樣兩端去除量均超過１０mm,以盡量降低冷卻時試樣兩端散熱對內(nèi)部冷卻速率的影 響.CT３０試樣的預(yù)制裂紋位置對應(yīng)試樣心部.

４ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

４．１ 金相分析

根據(jù)相 變 點(diǎn) 計(jì) 算 結(jié) 果,當(dāng) 加 熱 至 高 臺 階 溫 度 ８８０ ℃時,試樣已經(jīng)開始奧氏體化.在奧氏體化過 程中,必然發(fā)生晶格的改變和鐵、碳原子的擴(kuò)散,它 們遵循形核和長大的基本規(guī)律.顯微組織是力學(xué)性 能的決定因素[２７],保溫３０ min是為了使試樣表面 與心部的溫度趨于一致,進(jìn)而獲得均勻的奧氏體組 織,以 便 在 冷 卻 轉(zhuǎn) 變 時 得 到 良 好 的 組 織 和 性 能[２８Ｇ２９].不同熱處理工藝下,試樣顯微組織均為珠 光體＋鐵素體,見圖８.

４．２ 鐵素體定量分析

鐵素體含量(體積分?jǐn)?shù))定量分析結(jié)果如表４所 示.可見６號工藝下試樣的鐵素體含量最高,２號 工藝下試樣鐵素體含量最低;相同冷卻速率時,臺階 式熱處理試樣的鐵素體含量比常規(guī)工藝試樣(１,２,５ 為常規(guī)工藝)的要高,也就是說臺階式熱處理工藝促 進(jìn)了鐵素體的形成;相同溫度下,冷卻速率較小試樣 的鐵素體含量更高;１號、３號熱模擬工藝分別與５ 號、６號實(shí)驗(yàn)室熱處理工藝相對應(yīng),其鐵素體含量測 試結(jié)果具有較高的一致性.

４．３ 硬度測試

硬度測試結(jié)果與鐵素體含量、顯微組織具有良 好的對應(yīng)性,見表５.鐵素體是軟韌相,強(qiáng)度較低, 鐵素體含量較高的試樣硬度較低,故６號工藝試樣 的硬度最低.溫度、冷卻速率相同時,臺階式熱處理 工藝下試樣硬度略低于常規(guī)工藝試樣硬度,這是由于臺階式熱處理工藝促進(jìn)了鐵素體的形成.實(shí)驗(yàn)室 臺階式熱處理工藝下,鍛坯硬度測試結(jié)果與熱模擬 試樣硬度結(jié)果一致,滿足預(yù)設(shè)技術(shù)目標(biāo),驗(yàn)證了臺階 熱處理工藝的可行性.

４．４ 條件斷裂韌度測試

將帶有預(yù)制裂紋的 CT３０試樣進(jìn)行條件斷裂韌 度測試,結(jié)果見表６.采用６號臺階式熱處理工藝 時,試樣的條件斷裂韌度與５號常規(guī)熱處理工藝相 比提高約１４．３％,達(dá)到預(yù)設(shè)技術(shù)目標(biāo).這是因?yàn)榈? 臺階保溫可促進(jìn)鐵素體形成,從而提高韌性.該結(jié) 果與顯微組織、鐵素體定量分析及硬度測試結(jié)果相 對應(yīng).

５ 結(jié)論

含碳量為０．６０％的釩微合金鋼,其釩元素含量 為０．０９％時,對提高強(qiáng)韌配合關(guān)系最為有益.

與常規(guī)熱處理工藝相比,臺階式熱處理工藝試 樣的維氏硬度、條件斷裂韌度均滿足預(yù)設(shè)技術(shù)目標(biāo), 斷裂韌度提高約１４．３％.對于６０ mm×６０mm截面的環(huán)件方坯,臺階式熱處理工藝可促進(jìn)鐵素體形 成,提高釩微合金鋼的強(qiáng)韌性匹配.

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>55卷>12期(pp:830-835)>