快速球化退火对SKS51工模具钢组织和硬度的影响

2021-09-01封举宁谭峰亮李鸿娟叶勤政

机械工程材料 2021年8期

封举宁，谭峰亮，李鸿娟，曾斌，汪力，叶勤政

(1.湖南人文科技学院能源与机电工程学院，娄底 417000；2.湖南人文科技学院材料与环境工程学院，娄底 417000;3.湖南华菱涟源钢铁有限公司，娄底 417000；4.广东德纳斯金属制品有限公司，云浮 527300)

0 引言

SKS51合金钢硬度高，韧性和耐磨性良好，主要用于制造高端、高等级工模具，如高精度圆锯片、特种工具、刃具和特殊弹簧等。SKS51钢的热轧态组织一般由片层状珠光体和少量渗碳体组成，这种组织具有高的硬度和低的塑性，不利于切削加工。因此，在后续冷加工及热处理前需要对SKS51钢进行球化退火处理[1]。生产中常用的球化退火工艺包括一次球化退火和等温球化退火。这两种工艺的加热温度高，保温时间长，容易引起钢的晶粒粗化，导致韧性和塑性降低，同时这两种工艺的生产成本高。研究[2-4]表明，当过共析钢加热到Ac1Acm(Ac1为加热时珠光体向奥氏体转变的温度；Acm为渗碳体溶入奥氏体的终了温度)间某一温度时，碳化物不能完全溶解，而会以颗粒的形式分布在奥氏体基体上，当温度降低到Ac1以下某一温度时，碳化物会成为形核核心并长大，从而完成球化过程；这个过程也被称为离异共析。基于离异共析原理，可实现过共析钢的快速球化退火，从而提高生产效率，降低成本。

作者以SKS51钢为研究对象，研究了快速球化退火对SKS51钢球化组织及硬度的影响，确定了合理的球化退火工艺参数，为实际生产中SKS51钢的快速球化提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为厚度4.0 mm的热轧SKS51钢薄板，化学成分见表1；其组织细小均匀，为片层状珠光体+极少量渗碳体，未发现网状结构的铁素体，如图1所示。

表1 SKS51钢的化学成分(质量分数)

图1 SKS51钢的显微组织Fig.1 Microstructure of SKS51 steel

将试验钢板加工成12组尺寸均为10.0 mm×20.0 mm×4.0 mm的试样，对其进行快速球化退火处理。快速球化退火工艺包括奥氏体化和等温球化两个过程[5]。根据离异共析原理及相关研究结果[1,6-7]制订快速球化退火试验方案。经多次试验发现，在奥氏体化温度为750,780 ℃保温10 min再冷却至680 ℃保温2 h时，试样球化效果较好，故将奥氏体化温度θ1定为750，780 ℃进行进一步研究。为促进球化转变，需确保奥氏体化过程中形成的奥氏体内部仍保留渗碳体，因此选择较短的奥氏体化保温时间t1，分别为10，20 min。等温球化温度θ2设置为650，680，700 ℃，保温时间为2 h。快速球化退火工艺曲线如图2所示。

图2 快速球化退火工艺曲线Fig.2 Rapid spheroidizing annealing process curve

在退火后的试样上取样，经磨抛，采用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，在Leica DMI 8C型倒置光学显微镜下观察显微组织。采用COXEM EM-30 Plu型扫描电子显微镜(SEM)观察试样微观形貌。采用VH-5型维氏硬度计测试显微硬度，载荷为9.8 N，保载时间为20 s，每个试样测5个点取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可以看出:750 ℃×10 min奥氏体化+650 ℃等温球化处理后，SKS51钢组织中存在较多的片状碳化物；等温球化温度升高至680 ℃时，片状碳化物减少，球状碳化物增多；当等温球化温度升高至700 ℃时，片状碳化物基本消失，球化效果较好。在等温球化过程中，碳化物球化速率主要受碳原子扩散速率影响，等温球化温度较低时[1,8]，碳原子扩散速率较低，片状碳化物溶解缓慢，球化速率较低，此时组织以片状碳化物为主。

图3 不同工艺参数快速球化退火后SKS51钢的显微组织Fig.3 Microstructure of SKS51 steel after rapid spheroidizing annealing with different process parameters

经750 ℃×20 min奥氏体化+650700 ℃等温球化处理后，随着等温球化温度升高，SKS51钢的组织变化趋势与奥氏体化保温时间为10 min的相同，但片状碳化物更多。在等温球化过程中，新碳化物会依附于原有的碳化物颗粒进行非均匀形核，形成球状颗粒[9]。但是奥氏体化时间延长后，片层状珠光体溶解更充分，钢中剩余细小碳化物颗粒数量减少，使得等温过程中非均匀形核的位置减少，因此延长奥氏体化保温时间不利于球状珠光体的转变。

780 ℃×10 min奥氏体化或780 ℃×20 min奥氏体化+不同温度等温球化处理后，SKS51钢组织中均存在大量的片状碳化物，球化效果较差。这是因为在较高奥氏体化温度和较长保温时间下，组织近乎完全奥氏体化，碳化物基本溶入奥氏体[10],仅存在少量未溶碳化物[10-11]，SKS51钢无法发生离异共析，球化效果较差。

2.2 微观形貌

由图4可以看出：750 ℃×10 min+650 ℃×2 h球化退火后，SKS51钢中大部分球状碳化物的尺寸小于1 μm，同时晶内存在较多大尺寸的长条状碳化物；球化温度升高至680 ℃时，球状碳化物数量增加，尺寸增大，极少数碳化物尺寸增大到2 μm左右，晶内仍存在极少量未溶断的条状碳化物；球化温度升高至700 ℃时，小颗粒碳化物被大颗粒碳化物吞噬，球状碳化物尺寸进一步增大且分布更均匀，此时的球化效果较好；延长奥氏体化保温时间并升高球化温度至700 ℃后，SKS51钢中出现了较多短棒状碳化物；与奥氏体化温度为750 ℃的相比，奥氏体化温度为780 ℃时的钢中片层状碳化物增多，并出现较多细小的碳化物颗粒，粒状碳化物与片层状碳化物呈交替分布。

图4 不同工艺参数下快速球化退火后SKS51钢的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of SKS51 steel after rapid spheroidizing annealing with different process parameters

2.3 硬度

由表2可以看出：当奥氏体化温度为750 ℃，保温时间为10，20 min时，随等温球化温度升高，SKS51钢的硬度降低；当奥氏体化温度为780 ℃且保温时间为10 min时，SKS51钢的硬度随等温球化温度的升高先降低后升高，在等温球化温度为680 ℃时硬度最低，而当奥氏体化保温时间延长至20 min时，硬度随球化温度升高而降低；在相同等温球化温度和时间下，升高奥氏体化温度或延长奥氏体化时间有利于硬度的提高。