热处理工艺对60CrNiMo钢组织与力学性能的影响

顾丽媛，吴开明，陈思思，胡 锋，汪兴隆

(1.高性能钢铁材料及其应用湖北省协同创新中心，湖北 武汉， 430081；2.武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北 武汉， 430081)

现代轧制工艺对轧辊材料强韧性要求越来越高[1-2]。对于碳含量较高的金属材料，亚温淬火一方面生成二次马氏体及铁素体，另一方面产生晶粒细化效应，其结果提高了材料强度和韧性[3-4]。低温贝氏体钢[5-8]由于兼具超高强度和良好韧性与塑性等优点，因此可用于轧辊材料，其低温贝氏体组织中纳米级贝氏体铁素体和超高密度位错起增大材料强度的作用，存在于贝氏体铁素体间的片层残余奥氏体起增强材料韧性和塑性的作用[9]，此外还存在一定量的不利于韧性和强度的块状残余奥氏体。为了消除块状残余奥氏体对轧辊材料强韧性的不利影响，本研究对 60CrNiMo钢分别进行淬火+高温回火、淬火+亚温淬火+高温回火等多步低温贝氏体转变热处理，通过显微组织和力学性能观测，研究热处理工艺对60CrNiMo钢组织与力学性能的影响，旨在为优质轧辊材料的研制寻求新的热处理工艺方向。

1 试验材料和方法

试验材料为某厂生产的60CrNiMo钢热轧板材，其化学成分如表1所示。

表1 60CrNiMo钢化学成分(wB/%)Table 1 Chemical compositions of 60CrNiMo steel

60CrNiMo钢的Ms温度为208 ℃，Bs温度为450 ℃[5]。由于60CrNiMo钢的Ac1为721 ℃，Ac3为757 ℃，故选择其奥氏体温度为860 ℃，亚温淬火温度为730 ℃。60CrNiMo钢热处理工艺如图1所示。用金相显微镜(Olympus BM51)、扫描电镜(SEM，Sirion 200)及透射电镜(TEM，JEOL-1200EX)观察金相组织，用BUEHLERMICROMET 5101型维氏硬度计测试显微硬度(20次，取平均值)，按《GB/T 228—2002金属材料室温拉伸试验方法》加工试样，在万能试验机上进行拉伸试验，按《GB/T 229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工成10 mm×10 mm×55 mm夏比V型冲击试样，在JB-30A冲击试验机上进行系列室温冲击试验(3次，取平均值)。

(a)淬火+高温回火及淬火+亚温淬火+高温回火

(b)三步低温等温贝氏体转变图1 60CrNiMo钢热处理工艺Fig.1 Heat treatment process for 60CrNiMo steel

2 试验结果

2.1 显微组织

2.1.1 淬火+高温回火及淬火+亚温淬火+高温回火后的组织

按图1(a)工艺流程热处理后的60CrNiMo钢显微组织如图2所示。从图2中可看出，淬火后的组织为马氏体(图2(a)；淬火+回火后的组织为回火马氏体(图2(b))；淬火+亚温淬火后的组织为铁素体+二次马氏体(图2(c))[10-11]；淬火+亚温淬火+高温回火后的组织为铁素体+二次回火马氏体(图2(d))。可以看出，淬火+亚温淬火+高温回火后的组织较调质处理后的组织更加细小均匀。

(a)淬火

(b) 淬火+回火

(c) 淬火+亚温淬火

(d)淬火+亚温淬火+高温回火图2 不同阶段热处理后的60CrNiMo钢显微组织

Fig.2Microstructuresof60CrNiMosteeltreatedbydifferentheattreatments

2.1.2 三步低温等温贝氏体转变后的组织

三步低温等温贝氏体转变后的显微组织如图3所示。由图3(b)可看出，对比图3(a)，块状奥氏体(白色区域)明显减少，贝氏体组织更加细密；由图3(c)可看出，贝氏体束由贝氏体铁素体板体及薄膜状残余奥氏体组成，其中贝氏体铁素体板条有3种不同尺寸，B1为第一步传统等温贝氏体转变得到的贝氏体，B2、B3分别为第二步、第三步低温等温贝氏体转变后获得的贝氏体，可以看出，第二步、第三步等温贝氏体转变得到的贝氏体板条比第一步获得的传统贝氏体板条细小得多。由图3(d)进一步看出，经三步等温贝氏体转变后的组织为贝氏体和极少量的M/A岛，且有很多细小的碳化物分布在贝氏体板条上。

(a)传统工艺贝氏体光学显微组织

(b)三步低温等温转变后贝氏体光学显微组织

(c) 三步低温等温转变后贝氏体扫描电镜组织

(d) 三步低温等温转变后贝氏体透射电镜组织图3 三步低温等温贝氏体转变后的显微组织

Fig.3Microstructuresof60CrNiMosteelafterisothermalbainitictransformation

2.2 力学性能

不同热处理工艺下60CrNiMo钢力学性能如表2所示。从表2中可看出，与淬火+高温回火传统工艺相比，试样经过淬火+亚温淬火+高温回火处理后，HV1硬度值由257增至310，冲击功由52 J增至66 J，屈服强度由608 MPa增至798 MPa，抗拉强度由728 MPa增至982 MPa。经三步低温等温贝氏体转变后，试样HV1硬度增至600，冲击功增至85 J，屈服强度增至976 MPa，抗拉强度增至1230 MPa。

表2 不同热处理工艺下60CrNiMo钢力学性能Table 2 Mechanical properties of 60CrNiMo steel treated by different heat treatments

3 讨论

3.1 亚温淬火对材料组织和力学性能的影响

经淬火+亚温淬火+高温回火处理后60CrNiMo钢组织明显细化。这是因为在两相区亚温淬火时，亚温淬火温度超过临界区的加热温度，其组织中的未溶铁素体阻止了新生奥氏体晶粒的长大；加上两相区淬火时的铁素体与奥氏体晶界面面积较常规淬火工艺下约大10～50倍[12]，增大后的晶界面积单位面积上的杂质元素(P、N等)偏聚量相对减少；此外，由于杂质元素在α相中的扩散速度大于在γ相中的扩散速度，使得这些杂质元素部分聚集于未溶铁素体中，从而减少了杂质元素向奥氏体晶界上偏聚。此外，在两相区加热淬火过程中，钢中某些区域生成C、Ni等合金元素富集的奥氏体，随着淬火过程的进行，该奥氏体中的一部分转变为合金元素富集的二次马氏体，这些二次马氏体经高温回火转变为细而密的回火马氏体，这种两相区二次淬火再回火得到的二次回火马氏体组织具有较高的强度和硬度。

淬火+亚温淬火+高温回火后的60CrNiMo钢具有双相组织特征，即既有较软的铁素体组织，又有较硬的回火马氏体组织。虽然回火二次马氏体较单一回火马氏体韧性低，但其铁素体组织具有较好的韧性。

3.2 三步低温等温贝氏体转变对材料组织和力学性能的影响

在纳米结构超级贝氏体钢组织中，贝氏体铁素体是碳浓度过饱和的体心立方相，具有很高的位错密度，因而有较高的强度[13]。奥氏体作为韧度相分布在贝氏体铁素体板条间，其在较大应力作用下会发生相变而诱发塑性效应(TRIP效应)[9]，从而起吸收和消耗能量、延缓裂纹扩展、增强材料强韧性的作用。在三步低温等温贝氏体转变过程中，块状残余奥氏体减少和细化，板条贝氏体和片层状残余奥氏体增加，经二次及三次贝氏体转变生成的贝氏体铁素体板条平均厚度更小；残余奥氏体块状组织的细化使其尺寸稳定性增强，贝氏体铁素体板条厚度减小则增大了组织强度。一步等温处理形成的块状残余奥氏体在后续二步、三步乃至四步等温处理时形成了更细小的纳米级贝氏体板条，且片层状残余奥氏体和贝氏体铁素体组织增加，平均板条厚度变小，块状残余奥氏体减小和细化，从而阻止了碳浓度较低的块状残余奥氏体在冷却过程中转变为马氏体，最终形成硬而脆的M/A岛。经三步低温等温贝氏体转变后的60CrNiMo钢，实现了材料组织中块状残留奥氏体向超级贝氏体的转变，使其在强度增大的同时也增大了韧性和塑性。

4 结论

(1)淬火+亚温淬火+高温回火60CrNiMo钢，其组织明显比等温淬火+高温回火传统工艺下的组织细小均匀，力学性能得到改善。

(2)三步低温等温贝氏体转变后的60CrNiMo钢，其组织中出现了厚度极小的贝氏体铁素体板条，以及板条间存在的薄膜状残余奥氏体，其块状残余奥氏体含量很小，从而使材料获得很高的强度和韧性。

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