热处理工艺对SWRH82B 钢的组织及硬度的影响

2020-03-19张栋

中国金属通报 2020年24期

张栋

（河钢集团唐钢公司中厚板材有限公司，河北唐山 063600）

SWRH82B 钢是金属行业使用的重要材料之一（后文简称82B）。因此，82B 钢的质量优劣倍受人们关注，但随着高碳硬线的使用数量不断增加范围不断变大，硬线盘条的性能要求也在不断的提高，原来的生产的82B 硬线盘条的性能已不能满足需求[1]。

本研究的目的是系统地分析热处理工艺对82B 钢组织及性能的影响，从而确定出一种性能好，能源利用率高的热处理工艺。从而在一定层度上改良生产工艺，生产出性能更好的钢铁产品，并且在一定层度上降低能耗，以达到降低成本的目的。

1 实验材料与工艺

1.1 实验材料

82B 钢是一种典型的高碳钢，也是一种含碳量接近共析钢过共析钢。国内生产的82B 钢中除C、Si、Mn、P、S 等元素之外有些生产厂家还会加入Cr、V、Al、Cu 等元素]。Cr 可以细化晶粒，提高钢的淬透性，还会提高82B 钢的索氏体化率。V 起到细化晶粒的作用。Al 起到脱氧和提高硬度的作用，Cu 是非碳化物形成元素，可以阻碍晶粒长大[2]。

1.2 热处理工艺

本实验分别采用1000℃保温10min、30min、60min 淬火和900℃保温10min、30min、60min 淬火，以及900℃保温60min 淬火后600℃、400℃、200℃保温120min 回火。

图1 SWRH82B 原始组织及热处理之后的组织

2 实验结果与分析

2.1 82B 钢的原始组织及性能

图a 为索氏体，这类组织一般由正火或退火得到，具有易于加工的优点。82B 钢原始组织的硬度为洛氏硬度值HRB95。

2.2 淬火温度对82B 钢的组织及性能的影响

2.2.1 仅淬火条件下淬火温度的影响

本实验中应用的材料为82B 钢，82B 钢水淬淬后得到的组织为马氏体组织。

图b，c 为82B 钢不同淬火温度下的组织图。图b 是900℃水淬后的82B 组织图，该组织为马氏体，图c 为1000℃水淬后的马氏体组织。图a 的晶粒更小，是由于淬火温度升高，原始奥氏体长得更大，淬火时马氏体只能在晶界与晶内位错集中区域形核。

经测得900℃淬火后82B 的硬度为59.5,1000℃淬火后82B 的硬度为58.4。结果表明：在一定温度范围内随着淬火温度的增加，82B 钢的硬度降低[3]。

2.2.2 淬火加高温回火淬火温度的影响

图d 的淬火温度为900℃水淬保温60min 保温60min600℃回火保温120min，图o 为1000℃水淬保温60min，600℃回火保温120min。此类工艺产生的组织为回火索氏体。上图可以看出图d 的晶粒比图e 更小。在同种组织中，晶粒越小材料的性能就会越好。在图d 看不到粗大的碳化物颗粒。只有细小的碳化物，马氏体已经完全分解为碳化物颗粒与铁素体，残余奥氏体也分解为铁素体和碳化物[4]。图o 组织为回火索氏体，图中白色部分为细小的碳化物。这些细小的碳化物的来源是淬火后过饱和马氏体中的碳在回火转化为回火索氏体的过程中析出的。经测得82B 钢的硬度随着淬火温度的升高略有降低。原因是淬火温度越高，原始奥氏体晶粒越大，淬火后马氏体晶粒越大。淬火温度从900℃上升到1000℃，材料的硬度从HRC30.1 下降到HRC20.3。

2.2.3 淬火加中文回火淬火温度的影响

图i900℃水淬保温60min，图n1000℃淬火保温时间60min。i、n 均为水淬，回火温度400℃保温120min。图i、n 的组织为回火托氏体，图i 中可以看到细小均匀的白色碳化物颗粒，与图n 相比图A 的晶粒更加细小，并且碳化物的分布也更加均匀。通过洛氏硬度计测得不同淬火温度下中温回火后的82B 钢淬火温度从900℃上升到1000℃，材料的硬度从HRC48.7 下降到HRC37.1。

2.2.4 淬火加低温回火淬火温度的影响

图k 工艺为900℃水淬保温30min，图m 工艺为1000℃水淬保温30min。回火温度为200℃，回火保温时间为120min。图k、m 的组织为回火马氏体，在图中可以看到图m 分布着许多细小的白色碳化物颗粒，而图k 的碳化物却很少。并且可以看出图m的晶粒比图k 大很多。图k 的组织比图m 细小的多，原因是随着淬火温度的升高，奥氏体晶粒得到更加充分的溶解，奥氏体溶解时碳化物同样也在溶解，在淬火时没有了原始奥氏体组织和碳化物的阻碍，淬火得到的晶粒可以更充分的长大。图k 组织中的碳化物分布均匀，这是由于碳化物的析出位置决定的。在一定温度范围内随着淬火温度的升高，材料的晶粒度变小。淬火温度从900℃上升到1000℃，洛氏硬度从58.4 下降到了48.3。

2.3 淬火保温时间对82B 钢组织及性能的影响

对于材料来说，任何一种热处理工艺的改变都可能会引起材料组织和性能的改变，淬火保温时间当然也不例外。

2.3.1 仅淬火时淬火保温时间的影响

图d 为900℃保温10min 水淬然后600℃回火保温两个小时后炉冷的金相组织。该组织图中的组织是回火索氏体，从图中可以看出组织有很大的碳化物颗粒，回火索氏体以及残余奥氏体。其中白色的部分为碳化物，黑色部分为回火索氏体。这些碳化物颗粒主要是由于保温时间短，样品没有完全奥氏体化，从而残留了许多碳化物颗粒，导致组织中整体布满特别大的碳化物颗粒，还有部分是由于淬火后的过饱和马氏体中的碳在回火转化为回火索氏体的过程中析出的[6]。由图中可以看出，马氏体已经完全分解为碳化物颗粒与铁素体，残余奥氏体也分解为铁素体和碳化物。具有良好的韧性、塑性和较高的强度。

2.3.2 淬火加高温回火淬火保温时间的影响

图e 是900℃保温30min 水淬600℃高温回火后炉冷的82B 金相组织，与图d 相比，图e 明显粗大的碳化物少了许多，晶粒更大一点。图中的组织主要是回火索氏体，具有良好的综合性能，但是图中还有部分粗大碳化物，导致钢件的力学性能下降[5]。

图f 是900℃保温60min 水淬600℃高温回火保温两个小时炉冷的82B 钢的金相组织图，在图中几乎看不到粗大的碳化物颗粒。反而出现了许多细小的碳化物，晶粒也比图e 更大。

其他变量不变时82B 钢的硬度随着淬火保温时间的增加而降低。原因是淬火保温时间增加使奥氏体得到充分的长大，淬火后组织的晶粒度也随之减小。所以淬火保温时间增加，材料硬度降低。在实验过程中由于实验样品较小，在淬火保温时间为10min 时可能已经完成了奥氏体形成的前三个阶段，随着淬火保温时间的增加，奥氏体成分得到了更好的均匀化，使得淬火后的马氏体组织成分更加均匀，这又提高的材料的力学性能[3]。淬火温度从10min 增加到60min 硬度却从34.0 下降到了30.1。

2.3.3 淬火加低温回火淬火保温时间的影响

图j 为900℃保温10min 水淬然后200℃回火保温两个小时后炉冷的金相组织。该组织图中的组织是回火马氏体，从图中可以看出组织有较大的碳化物颗粒。这些粗大的碳化物颗粒主要是由于保温时间短，试样没有完全奥氏体化，成分没有完全均匀化，从而残留了许多碳化物颗粒，导致组织中整体布满特别大的碳化物颗粒，还有部分是由于淬火后的过饱和马氏体中的碳在回火转化的过程中析出的[6]。由图中可以看出，碳化物的颗粒大且分布不均。但组织中的马氏体颗粒细小，给材料带来了细晶强化。

图k 是900℃保温30min 水淬200℃低温回火后炉冷的82B金相组织，与图j 相比，图k 粗大的碳化物明显小了许多，并且碳化物颗粒分布均匀。晶粒比图j 稍大一点，但是图中还有部分粗大碳化物。图中的主要组织是硬度很高的回火马氏体[6]。

图i 是900℃保温60min 水淬200℃低温回火保温两个小时炉冷的82B 钢的金相组织图。与图j、k 的组织相比，图i 中的组织晶粒粗大，这是由于淬火保温时间长，原始组织完全转化为奥氏体并且奥氏体晶粒得到充分的长大，新相马氏体在原奥氏体晶界处形成，奥氏体晶粒长大直接影响了淬火后马氏体的晶粒大小[5]。

经测得900℃淬火保温时间为10min、30min、60min 低温回火后82B 的洛氏硬度分别为60.5、59.7、58.4。淬火保温时间的延长可以使材料组织进一步均匀化从而减少原始组织中的碳化物对材料性能的影响，但淬火保温时间的增加同时也减小了奥氏体的晶粒度，降低了材料的硬度。

2.3.4 淬火加中温回火淬火保温时间的影响

图g 为900℃保温10min 水淬后400℃回火保温两个小时后炉冷的金相组织。该图中的组织是回火托氏体，从图中可以看出组织有较大的碳化物颗粒。这些粗大的碳化物颗粒主要是由于保温时间短，样品没有完全奥氏体化，从而残留了许多碳化物颗粒，导致组织中整体布满特别大的碳化物颗粒，还有部分是由于淬火后的过饱和马氏体中的碳在回火转化的过程中析出的。由图中可以看出，碳化物的颗粒大且分布不均匀，但其晶粒度较高。

图h 是900℃保温30min 水淬400℃中温回火后炉冷的82B 组织，与图g 相比，图h 碳化物明显小了许多，并且碳化物颗粒分布均匀。晶粒比图g 稍大一点，但是图中还有少量较大碳化物。

图i 是900℃保温60min 水淬400℃中温回火保温两个小时炉冷的82B 钢的金相组织图。与图g、h 的组织相比，图i 中的组织晶粒更粗大。淬火保温时间对材料组织的影响是在一定保温时间范围内，随着保温时间的增加，新相中的碳化物颗粒变小，但新相晶粒会长大[7]。

经测得900℃淬火保温时间为10min、30min、60min 中温回火后的82B 的平均硬度分别为60.5、59.7、58.4。82B 钢最终的力学性能和组织中的碳化物颗粒的大小有很大的关系，碳化物颗粒越小，表示钢材的性能也就越好。但影响材料力学性能的最重要条件还是组织的晶粒度。经过对比，结论是在其他条件相同的情况下，随着淬火保温时间的增加，82B 钢的硬度略有降低。