發(fā)布時(shí)間：2021-05-14所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：棒材在線淬回火熱處理不僅可顯著降低成本，而且有利于改善材料性能。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、組織性能檢測(cè)、有限元模擬等就典型45#鋼和40Cr鋼進(jìn)行研究，結(jié)果表明：45#鋼和40Cr鋼淬硬層深度分別約為4.8，18mm，臨界冷速約72，16℃/s;600℃高溫回火保溫20min后
摘要：棒材在線淬回火熱處理不僅可顯著降低成本，而且有利于改善材料性能。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、組織性能檢測(cè)、有限元模擬等就典型45#鋼和40Cr鋼進(jìn)行研究，結(jié)果表明：45#鋼和40Cr鋼淬硬層深度分別約為4.8，18mm，臨界冷速約72，16℃/s;600℃高溫回火保溫20min后，鋼中碳化物分布彌散均勻，強(qiáng)塑性和沿橫截面均勻性得到顯著改善;有限元仿真表明淬火中熱應(yīng)力變化表層先拉后壓，芯部與此相反。
關(guān)鍵詞：棒材淬火;45#鋼;40Cr鋼
0前言
相較傳統(tǒng)離線熱處理，合金鋼棒材(Φ40mm～150mm)在線淬火-回火工藝后，直接省去淬火再加熱，可縮短生產(chǎn)流程，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[1]。材料學(xué)方面，軋后直接淬火時(shí)加熱溫度較高，合金元素均勻固溶，淬透性高，能更好的挖掘材料潛能。有研究指出[2,3]，與普通熱處理相比，進(jìn)行淬回火熱處理后的材料硬度增幅約10%，抗拉強(qiáng)度增幅約3%~10%，伸長(zhǎng)率增幅約10%~40%，沖擊韌性增幅約20%~30%，回火抗力好，強(qiáng)化效果可達(dá)600℃以上。
棒材在線熱處理主要包括熱軋、在線淬火和回火[4,5]。軋前加熱制度，開軋溫度，軋制工藝，冷卻參數(shù)，冷卻水溫度，終冷溫度等工藝參數(shù)對(duì)棒材表面回火索氏體，芯部鐵素體+珠光體組織，軋材最終韌性、塑性和焊接性，淬硬層深度有顯著影響。軋材熱應(yīng)力情況及淬火裂紋傾向，是在線淬回火工藝主要關(guān)注缺陷。
為研究淬回火熱處理工藝，對(duì)低合金鋼棒材溫度演變、相類別及組織、力學(xué)性能影響的機(jī)理，本文選用用途廣泛的典型低合金鋼鋼種45#鋼和40Cr鋼，采用熱處理試驗(yàn)、組織性能檢測(cè)、有限元模擬等，進(jìn)行了合金(優(yōu)質(zhì))鋼棒材(Φ40mm～150mm)在線淬火-回火處理研究。
1試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料選取具有代表性的中碳鋼45#鋼、低合金鋼40Cr鋼為對(duì)象，化學(xué)成分如表1和表2所示。
試驗(yàn)合金鋼棒材規(guī)格取Φ50mm×100mm，淬火介質(zhì)取濃度10%NaCl溶液。為獲得試樣表面到芯部冷卻曲線，沿試樣徑向方向鉆出若干個(gè)不等間距、直徑為2.5mm小孔，深度為試樣長(zhǎng)度一半，熱電偶分別埋在小孔內(nèi)，記錄溫度變化曲線。試驗(yàn)裝置如圖1所示。
淬回火試驗(yàn)中，試樣在如圖1(b)中的加熱和保溫爐中，以5℃/s加熱到900℃保溫60min全奧氏體化，在設(shè)計(jì)的水冷裝置下以一定壓力和流量在不同淬火介質(zhì)中冷卻(圖1(c))，取出試樣進(jìn)行一段時(shí)間回復(fù)后，再快冷到室溫。對(duì)試樣進(jìn)行硬度和金相組織檢測(cè)，分析時(shí)間-溫度曲線，對(duì)得到的淬回火試驗(yàn)鋼，制成直徑80mm試樣，按GB/T228.1-2010，用QX-W5502萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1試驗(yàn)鋼淬火金相組織和臨界冷速
根據(jù)Φ50mm45鋼和40Cr鋼在10%NaCl溶液中淬火試驗(yàn)，得到了表-芯不
同位置處冷卻速度，及硬度分布，結(jié)果如圖2所示。
由圖2(a)和圖2(b)可見，隨著距淬火層表面厚度的增加，45鋼和40Cr鋼的冷卻速度逐漸降低，高碳含量的45鋼冷卻速度曲線整體更大，曲線更為陡峭，兩種試驗(yàn)鋼硬度在表-芯不同位置的變化與冷卻速度變化曲線類似。
對(duì)應(yīng)的45#鋼淬火后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由表面到芯部分布的金相組織，如圖3所示。
由圖2(a)知，隨試樣表面到中心距離增加，硬度減小，結(jié)合圖3試驗(yàn)鋼淬火后金相組織可見，隨著距表面深度增加，由于冷卻速度開始顯著降低，馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距試樣表面4.8mm處馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)約50%。一般45鋼淬硬層硬度標(biāo)準(zhǔn)為42.5HRC，通過區(qū)域硬度標(biāo)定，繪制曲線，得出距淬火表面4.8mm處硬度值約為42.5HRC，由此φ50mm45鋼10%NaCl溶液中淬火淬硬層深度為4.8mm，對(duì)應(yīng)的淬火臨界冷速約為72℃/s。
相關(guān)期刊推薦：《有色金屬科學(xué)與工程》創(chuàng)刊于1987年，是由江西理工大學(xué)、江西省有色金屬學(xué)會(huì)主辦的學(xué)術(shù)性、實(shí)用性、開發(fā)性、信息性兼?zhèn)涞目萍计诳，F(xiàn)主要欄目有：地.采.選、冶金.材料、機(jī)械.設(shè)備、分析.檢測(cè)、節(jié)能.減排等。
對(duì)應(yīng)的40#鋼淬火后轉(zhuǎn)變產(chǎn)物由表面到芯部分布的金相組織，如圖4所示。
由圖2(b)和圖4知，40Cr鋼淬火后硬度的表層到中心分布情況，以及金相組織變化與45#相似。圖4可見，隨距表面深度增加，冷卻速度開始顯著降低，導(dǎo)致馬氏體含量減少，珠光體和鐵素體等增多，距表面18mm處馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)約50%。取40Cr鋼淬硬層硬度標(biāo)準(zhǔn)為42HRC(對(duì)應(yīng)試驗(yàn)中淬火表面18mm處)，結(jié)合實(shí)測(cè)溫度變化曲線，得出淬火樣冷卻速度(臨界冷速)約16℃/s。
2.2淬火鋼回火過程中的金相組織
對(duì)淬火樣進(jìn)行600℃高溫不同時(shí)間回火，經(jīng)取樣—拋光—腐蝕，得到45#鋼的金相組織如圖5，40Cr鋼的如圖6示。
由圖5和圖6可見，兩種試驗(yàn)鋼在600℃回火保溫過程中板條、位錯(cuò)、碳化物析出尺度上發(fā)生明顯變化，從宏觀金相組織上可見，5min和10min保溫時(shí)間，顯微組織中的碳化物和組織分布都不均勻，到20min后，碳化物彌散度顯著，組織也較均勻。淬火后合金鋼回火過程，宏觀金相的變化，源自微觀組織如板條馬氏體、位錯(cuò)、碳化物析出尺寸的演變，這對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響[6]。研究表明，高溫回火中，滲碳體將逐漸聚集長(zhǎng)大，回火溫度越高，滲碳體顆粒也越大，450℃以上，鐵素體回復(fù)作用增強(qiáng)，馬氏體板條形態(tài)逐漸變成為多邊形。對(duì)于40Cr這類添加碳化物形成元素的低合金鋼中，合金元素獲得了足夠擴(kuò)散能力，以細(xì)小碳化物析出，滲碳體需部分回溶為其提供碳元素[3]。隨回復(fù)程度的進(jìn)行，板條內(nèi)位錯(cuò)組態(tài)也有明顯變化，原來(lái)的位錯(cuò)胞狀亞結(jié)構(gòu)通過胞壁規(guī)整發(fā)展成鐵素體亞晶，一些紊亂纏繞的位錯(cuò)也逐漸有序化，排列成網(wǎng)絡(luò)狀或半網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，這種組態(tài)使位錯(cuò)有最低的能量，穩(wěn)定性高[5]，降低了淬火鋼材料強(qiáng)度，而提高了韌性。
2.3淬火/回火后試驗(yàn)鋼的性能分析
為得到淬火、淬火—回火后鋼的綜合機(jī)械性能，找出熱處理后的硬度與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率和延伸率之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。
由圖7左圖曲線1(2)和曲線3(4)對(duì)比可見，淬火樣強(qiáng)度遠(yuǎn)大于回火。棒材淬火后的截面，在沿徑向不同深度處的抗拉及屈服強(qiáng)度波動(dòng)較大，回火后試樣強(qiáng)度明顯降低，內(nèi)外強(qiáng)度更加均勻，主要是試驗(yàn)鋼棒材淬火過程時(shí)間短，表面的冷卻條件在紊流沖擊下差別較大，導(dǎo)致沿徑向同截面深度各區(qū)冷卻速度不均，而回火過程時(shí)間長(zhǎng)，相和組織轉(zhuǎn)變充分所致。塑性指標(biāo)方面(圖7右圖曲線1(2)和曲線3(4)對(duì)比)，回火后斷面收縮率與斷后伸長(zhǎng)率顯著增加，均勻性強(qiáng)。
2.4合金鋼淬/回火過程中溫度和熱應(yīng)力演變的有限元分析
合金鋼棒材淬火中，棒材截面上冷卻和相變過程有不均勻和不同時(shí)性，棒材不同部位體積和形狀上變化差異，引起相互束縛，產(chǎn)生不同的應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致的淬火應(yīng)力，是使得棒材在淬火中產(chǎn)生裂紋的主要原因[7,8]。隨冷速增加，棒材內(nèi)主要有兩種內(nèi)應(yīng)力，一是溫差引起的熱應(yīng)力，一是組織轉(zhuǎn)變不均勻、不同時(shí)形成的組織應(yīng)力。這兩種應(yīng)力在淬火過中相互疊加、消除，最終形成殘余應(yīng)力。
棒材在線淬火時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，屬熱彈性問題。本文通過Marc建立合金鋼溫度場(chǎng)模型，水冷換熱系數(shù)取自試驗(yàn)中表層溫度變化曲線數(shù)據(jù)反算得到，得到溫度演變的有限元模型后再耦合應(yīng)力場(chǎng)，典型的45#鋼淬火熱應(yīng)力結(jié)果如圖8，圖9示。
結(jié)合圖8、圖9可知，剛開始淬火時(shí)，表面冷速大，芯部冷速由于熱阻作用，遠(yuǎn)低于表面。由于熱脹冷縮，表面收縮為拉應(yīng)力，芯部為壓應(yīng)力。隨淬火進(jìn)行，表面溫度急速下降使表層部分溫度差急速擴(kuò)大[9-12]。圖9表明，沿X軸表面切向應(yīng)力迅速上升到400MPa，軸向應(yīng)力迅速上升達(dá)到600MPa，處于拉應(yīng)力;芯部徑向應(yīng)力迅速下降到100MPa，軸向應(yīng)力下降到60MPa，使芯部處壓應(yīng)力。隨著表面溫度接近冷卻水溫度，表層溫差逐漸縮小，靠近表面冷速降低，棒材表面拉應(yīng)力減小，當(dāng)棒材淬火時(shí)間達(dá)到18s時(shí)，表面拉應(yīng)力下降為0，成為由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)[13-16]。隨后由于淬火的繼續(xù)，表面壓應(yīng)力迅速增大，淬火時(shí)間到60s時(shí)，棒材內(nèi)外溫度接近冷卻水溫度，冷速趨同，應(yīng)力變化趨緩。棒材芯部應(yīng)力變化與表面相反，由淬火開始時(shí)的壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變[17-20]。淬火結(jié)束后，由于主要受淬火溫差影響，最終棒材表面受壓應(yīng)力，芯部受拉應(yīng)力。不同鋼種和規(guī)格規(guī)律相似[21-24]。
3結(jié)語(yǔ)
合金鋼棒材的在線淬火-回火工藝，有縮短生產(chǎn)流程，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的顯著優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)典型的45#鋼和40Cr鋼棒材，采用熱處理試驗(yàn)、組織性能檢測(cè)、有限元模擬等方法，進(jìn)行了相關(guān)研究，得出的主要結(jié)論如下：
1)按42.5HRC標(biāo)準(zhǔn)，45#鋼淬硬層深度約4.8mm，臨界冷速約72℃/s，按42HRC標(biāo)準(zhǔn)，40Cr鋼淬硬層深度約18mm，臨界冷速約16℃/s;
2)淬火鋼高溫回火中，組織變化顯著，600℃高溫回火保溫20min后，鋼中碳化物分布較為彌散，強(qiáng)塑性和沿橫截面均勻性得到顯著改善;
3)不同合金鋼和規(guī)格棒材淬火中熱應(yīng)力變化情況相似，由于表面冷速和材料內(nèi)部熱阻的共同影響，受力狀態(tài)表層先拉后壓，心部與此相反。——論文作者：陳志強(qiáng)1，林銀河2，蒲春雷1，田野1,尹國(guó)亮3，趙貴州1
