奥氏体化温度对P20B钢淬透性的影响行为

李 丹， 闵永安， 吴晓春， 陈 卓

(上海大学材料科学与工程学院，上海200072)

硼作为微合金元素之一，在钢中已有广泛的应用［1-8］.一般在钢中添加硼(5×10-6～30×10-6)主要是为了提高钢的淬透性.Jun等［9］研究了低碳HSLA钢含硼(15×10-6)与不含硼时的连续冷却转变，发现微量硼可以有效地抑制珠光体和准多边形铁素体的形成，并能扩大贝氏体铁素体区及马氏体区.塑料行业的发展也需要高淬透性的塑料模具钢，而目前传统的P20钢已经不能满足截面尺寸大于400 mm的大型塑料模具的要求.718钢作为P20钢的改良钢种，在钢中加入镍，淬透性大幅提高［10-12］，但成本高昂.陈卓等［13］为了提高P20钢的淬透性而不增加成本，在钢中加入适量的硼，并对比了P20钢与含硼P20B钢的连续冷却转变.他们发现，在P20钢中加入适量硼(22×10-6)，能够延长铁素体相变的孕育期，使铁素体形成区域的C形鼻尖明显右移，从而使P20B钢较P20钢具有更高的淬透性.硼对于淬透性的影响一般可以解释如下：硼作为表面活性元素，吸附在奥氏体晶界上，降低了晶界能位;硼与其他置换型原子(如Cr，Mn，Mo，Ni)相比，能有效延缓γ→α的转变.硼在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核，从而有利于贝氏体的形成，故对铁素体生成的延缓要比对贝氏体大得多，因而提高了淬透性［14-15］.

上述工作仅研究了P20B钢的连续冷却转变，奥氏体化温度单一.本研究将以等温方式，分析P20B钢在不同奥氏体化温度下过冷奥氏体高温转变行为及硼的存在状态，进一步研究硼的添加对塑料模具钢淬透性的影响.

1 试验方法

试样是在宝钢预硬化P20B钢大模块上取得的，各元素质量分数如表1所示.对预硬化状态的试样先进行完全退火处理.

表1 P20B钢中各元素质量分数Table 1 Chemical compositions of P20B steel %

在箱式炉中将试样分别加热到850，880，920，950和1 000℃，保温1 h，出炉油冷.用饱和苦味酸对试样进行腐蚀，观察晶粒度，采用割线法测量晶粒尺寸并转换成晶粒度.

电解萃取各个温度下的第二相，电解试样尺寸为Ф 10 mm×80 mm，电解液采用1.0%NaCl+2.5%～5.0%EDTA水溶液，pH值为6～7，电流密度为50 mA/cm2.采用全玻璃换膜过滤器对电解产物进行真空过滤，得到第二相.脱水后用精度为0.01 mg的Sartorius CP225D电子天平进行称量，根据第二相质量及电解前后试样质量变化得到第二相的百分含量.采用Dmax-2550型X射线衍射仪定性分析第二相的种类，分析各相含量随奥氏体化温度的变化.

P20B钢过冷奥氏体等温转变在DIL805全自动热膨胀相变仪上进行，试样尺寸为Ф 4 mm×10 mm.具体工艺如下：将试样以10℃/s的加热速率从室温加热到奥氏体化温度，分别为850，880，920，950和1 000℃，保温10 min;然后以10℃/s的速度冷却至等温区;P20B钢的Ar1和Ar3分别为620和705℃.因此，每种奥氏体化条件下都在720，700，680，660和640℃分别等温至转变结束.作出转变开始、结束线，研究过冷奥氏体的稳定性.

2 试验结果

2.1 不同奥氏体温度下的晶粒尺寸

图1为850～1 000℃的奥氏体化温度条件下P20B钢的原奥氏体晶粒图.平均晶粒尺寸及对应等级如图2所示.可以看出，随着奥氏体化温度升高，晶粒逐渐长大，但是长大趋势是不同的.在奥氏体化温度从850℃升至920℃的过程中，晶粒尺寸由约9.4 μm长大至约13.2 μm，晶粒长大较缓慢;而当奥氏体化温度超过920℃后，晶粒尺寸由约13.2 μm长大至约31 μm，晶粒显著长大.

图1 不同奥氏体化温度条件下P20B钢的晶粒大小Fig.1 Optical micrographs of austenitic grain size of P20B steel at different austenitizing temperature

图2 不同奥氏体化温度下晶粒尺寸Fig.2 Austenitic grain size at different austenitizing temperature

2.2 不同奥氏体化温度下的固溶硼含量

图3为电解得到的第二相的质量分数变化曲线.随着淬火温度的升高，电解所得到的碳化物的质量减小.在淬火温度超过920℃后，变化趋于平缓.对不同淬火温度下得到的第二相产物进行XRD分析如图4所示.可以看出，P20B钢中的第二相主要是由(Cr，Fe)23(C，B)6和TiC组成.在淬火温度升高的同时，(Cr，Fe)23(C，B)6衍射峰的衍射强度逐渐降低，原因是只有加热到1 000℃以上时TiC才会缓慢溶入钢中［16］.因此，以TiC为基准，设TiC的(111)晶面衍射强度为100%，得到XRD衍射相对强度变化曲线(见图5).从图5中可以看出，TiC的(220)晶面相对强度也近乎为一条直线，所以以TiC的衍射强度作为基准是比较合适的.而(Cr，Fe)23(C，B)6的(511)晶面和(420)晶面的衍射强度在奥氏体化温度为850～920℃区间内急剧下降，表明在该温度区间奥氏体化温度对(Cr，Fe)23(C，B)6溶入影响巨大.当淬火温度超过920℃时，曲线变化趋于平缓.

图3 不同淬火温度下电解产物质量变化Fig.3 Variation of electrolysis quality with different quenching temperature

图4 不同淬火温度下电解产物XRD衍射图谱Fig.4 XRD analyses of electrolysis product at different quenching temperature

图5 XRD衍射相对强度变化曲线Fig.5 XRD relative intensity curve

2.3 过冷奥氏体高温转变

图6为P20B钢在奥氏体化温度为1 000℃，在680℃等温时的膨胀曲线.将总膨胀量定义为100%，当膨胀量为1%时的点定义为相变起始点，膨胀量为99%时的点定义为相变结束点.

图6 等温相变起始点和结束点的确定Fig.6 Methods of demarcate transformation point

图7为在奥氏体化温度分别为850，880，920，950和1 000℃时所得到的P20B钢的C曲线.可以看出，随着奥氏体化温度的升高，C曲线明显发生右移.当奥氏体化温度为880℃时，右移程度不大;但是当奥氏体化温度为920℃时，右移程度比较大;当奥氏体化温度分别为920，950和1 000℃时，C曲线右移不明显.

图7 不同奥氏体化温度下P20B钢的C曲线Fig.7 C curves of P20B steel at different austenitizing temperature

3 各因素对钢淬透性的影响

3.1 晶粒度对淬透性的影响

众所周知，晶粒度对钢的淬透性是有影响的.这是因为先共析体一般都优先在奥氏体晶界处形成，然后向奥氏体晶粒内长大.当晶粒度增大时，晶界面积减小，相对应的先共析体形核的机会就会减小，钢的淬透性提高.在本研究中，淬火温度为880℃时的晶粒度等级为9.5～10级，淬火温度为920℃时的晶粒度等级为9.5级，2种条件下晶粒尺寸相差不大.对比C曲线可以发现，在上述2种晶粒尺寸相近的情况下，C曲线的位置却有较大的差异，当奥氏体化温度为920℃时，C曲线发生明显的右移.当淬火温度超过920℃后，晶粒已经显著长大;淬火温度为950℃时，晶粒等级为8级;淬火温度为1 000℃时，晶粒已经长大到7级.但是，对比上述3个温度下的C曲线可以发现，晶粒的增大并没有使P20B钢的淬透性得到明显提高，3对C曲线彼此交错.

当淬火温度超过920℃时，晶粒显著长大，晶界面积减小，先共析体的形核位置减少，但是C曲线并没有发生明显右移，也就是说淬透性并没有因为晶界面积减小而明显提高.当淬火温度分别为880和920℃时，晶粒尺寸接近，即晶界面积并没有显著减小，但是C曲线却有明显的右移.这意味着先共析体不仅仅只存在于晶界形核，很有可能也存在于晶内形核，这就可以说明在晶粒尺寸接近的情况下，由于同时存在晶内形核，导致C曲线明显右移.所以，随着奥氏体化温度的升高，P20B钢淬透性的提高并不是主要由晶粒长大所引起.

3.2 固溶硼含量对淬透性的影响

对不同淬火温度下的电解产物进行XRD分析发现，当淬火温度超过920℃时，试样中存在的(Cr，Fe)23(C，B)6显著减少.这说明当温度高于920℃时，含微量硼的P20B钢中的(Cr，Fe)23(C，B)6就会比较充分地发生溶解.固溶硼原子在晶界的偏聚会极大地阻碍新相在晶界处形核，从而使先共析铁素体生成区明显右移［17］.当奥氏体化温度由850℃升至920℃时，电解所得到的碳化物含量也急剧降低(见图5).比较图4和图7可以看出，在上述温度范围内越来越多的(Cr，Fe)23(C，B)6溶入钢中，因此，大部分的硼以固溶硼的形式存在于钢中，导致C曲线明显右移，从而使P20B钢的淬透性得到提高.当进一步提高奥氏体化温度时，固溶硼的增加有限，对淬透性的影响已经不显著了，这表现在C曲线上，即在920，950和1 000℃时的C曲线位置比较接近.但是从图1(e)中可以看出，此时的晶粒已经非常粗大，过于粗大的晶粒对于P20B钢的其他性能是不利的.因此，从获得最大淬透性角度，推荐P20B钢的淬火温度为920℃.

综合图4、图5和图7可以得到，随着奥氏体化温度的升高，大部分的硼以固溶硼的形式存在于钢中.这种硼的存在状态极大地提高了P20B钢的淬透性，在TTT曲线上即可以看到，随着奥氏体化温度的升高，C曲线明显地右移.

3.3 其他因素对淬透性的影响

在萃取所获得的第二相中，(Cr，Fe)23(C，B)6中存在合金元素Cr以及C等.当奥氏体化温度升高时，逐渐溶入基体.这些固溶的元素都对P20B钢的淬透性产生影响.通过对比P20钢和P20B钢的CCT曲线［13］可以看出，在其他合金元素含量相同的情况下，微量硼可以明显地提高P20B钢的淬透性，也就是说，微量硼对P20B钢淬透性的提高起着主要的作用.因此，在奥氏体化温度为850～920℃时，B以及Cr，C等元素从碳化物中释放出来而固溶到基体中，使C曲线明显右移.当奥氏体化温度超过920℃时，由于大部分碳化物都已溶解，固溶合金元素的含量不再增加，并且由于同时存在晶内形核和晶界形核，因此，晶粒的长大并没有使C曲线发生明显右移.

4 结论

(1)在奥氏体化温度为850～920℃时，P20B钢晶粒略有长大，C曲线明显右移;在奥氏体化温度为920～1 000℃时，晶粒显著长大，C曲线右移不明显.

(2)在850～1 000℃的淬火温度范围内，萃取获得的第二相主要为(Cr，Fe)23(C，B)6和TiC;在850～920℃范围内，大部分的(Cr，Fe)23(C，B)6已溶解，导致固溶硼含量增加，使C曲线明显右移，淬透性显著提高.

(3)P20B钢淬透性的提高主要与(Cr，Fe)23(C，B)6的溶入密切相关，晶粒度对P20B钢淬透性的影响有限.

［1］ 郑桂芸，翟正龙，戈文英，等.40MnB合金钢硼含量的控制［J］.特殊钢，2008，29(5)：45-46.

［2］ 胡开华，任美康.含B中碳低合金铸钢及B、Al、Ti的相互作用和对冲击韧度的影响［J］.铸造技术，2005，26(9)：767-769.

［3］ 林武春，张茂勋，何福善.硼元素对钢砂(丸)性能的影响［J］.材料研究与应用，2009，3(2)：97-101.

［4］ 牛继承.微量B对大厚度17Ni 4.5CrMoV铸钢低温冲击韧度的影响［J］.金属铸锻焊技术，2008，37(11)：13-16.

［5］ 许洪新，李文卿，杜斌.微量元素钛和硼对钢淬透性的影响［J］.钢铁，1991，26(3)：46-50.

［6］ ÅKERSTRÖM P， OLDENBURG M. Austenite decomposition during press hardening of a boron steel—computer simulation and test［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，174(1/2/3)：399-406.

［7］ LÓPEZ-CHIPRESE，MEJÍAI，MALDONADOC，et al.Hot flow behavior of boron microalloyed steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2008，480(1/ 2)：49-55.

［8］ STUMPFW，BANKSK.The hot working characteristics of a boron bearing and a conventional low carbon steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2006，418(1/ 2)：86-94.

［9］ JUNH J，KANGJ S，SEOD H，et al.Effects of deformation and boron on microstructure and continuous cooling transformation in low carbon HSLA steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2006，422：157-162.

［10］ 何燕霖，高雯，李麟，等.热处理对718塑料模具钢加工性能的影响［J］.金属热处理，2004，29(3)：19-23.

［11］ 宋冬利，顾剑锋，胡明娟.718钢大模块淬火过程的数值模拟［J］.材料科学与工艺，2005，13(4)：394-397.

［12］ 罗毅，吴晓春.预硬型塑料模具钢的研究进展［J］.金属热处理，2007，32(12)：22-25.

［13］ 陈卓，吴晓春，汪宏斌，等.硼对P20钢淬透性能的影响［J］.钢铁，2007，42(7)：76-78.

［14］ TOWNSENDR D.Phase transformations［M］.London：Institution of Metallurgists，1979.

［15］ 齐俊杰，黄运华，张跃.微合金化钢［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［16］ 孙珍宝，朱谱藩，林慧国，等.合金钢手册［M］.北京：冶金工业出版社，1984.

［17］ 杨善武，贺信莱.硼在超低碳钢铁素体相变中的行为［J］.金属学报，1999，35(1)：23-26.