硼含量及形变热处理对贝氏体钢性能的影响

刘会;荣守范;朱永长;杨鹏辉;张敬强

【摘 要】随着球磨机、电铲等设备的大型化,对耐磨材料的综合性能提出了更高的要求.主要改变硼含量及形变热处理参数变化,研究其对贝氏体钢的影响规律.实验结果表明,在硼含量为0.005wt％及采用960℃×2h+ 290℃×2h等温淬火热处理工艺时金属的综合力学性能最优,洛氏硬度达到60HRC以上,冲击韧性大于7.4J/cm2.另外,经过形变热处理的试样,形变量在10％～20％之间,组织明显变细,硬度提高1～3HRC,冲击韧性平均提高2J/cm2.

【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2017(035)005 【总页数】4页(P806-808,830)

【关键词】形变热处理;贝氏体;硼;等温淬火 【作 者】刘会;荣守范;朱永长;杨鹏辉;张敬强

【作者单位】佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江,佳木斯154007;佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江,佳木斯154007;佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江,佳木斯154007;佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江,佳木斯154007;佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江,佳木斯154007 【正文语种】中 文 【中图分类】TG4418

贝氏体钢在目前的钢材市场上具有非常大的竞争优势，贝氏体组织具有很高的强韧性配合。在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显要优于马氏体组织，其耐磨性相当于马氏体的1～3倍，因此人们更希望在钢铁材料中获得下贝氏体基体组织。据此，对贝氏体钢进行研究，希望通过硼含量的变化及形变热处理、等温淬火等得到数量较多的贝氏体组织，使综合力学性能得到提高。

钢中加入成本较低微量的硼元素，可以节约大量镍、铬、钼等昂贵的合金元素。因此，我们选择硼含量为0.001wt%、0.005wt%、0.010wt%三种不同变化，材料的成分如表1所示：

根据实验钢的设计成分进行准确配料。分别依次加入废钢、高碳铬铁、高碳锰铁、硅铁等其他铁合金，熔炼好的钢水采用“高温出炉、低温浇注”的原则，出炉时的温度控制在1540℃左右，浇注时温度控制在1500℃左右。在浇注前用铝丝充分脱氧，并加入微量稀土。试样尺寸为：10mm×10mm×55mm标准冲击试样；10mm×10mm×50mm锻造试样。

结合铁碳相图，综合考虑，奥氏体化温度设定为900℃、930℃、960℃、990℃。将试样随炉加热到设定温度，保温2h后放入盐浴炉中保温。等温温度为290℃，2h后将试样拿出空冷。热处理工艺曲线如图1所示。

在热处理工艺的基础上选定奥氏体化温度。将10mm×10mm×50mm的试样放进SX2-5-12G箱式电阻炉中，加热到奥氏体化温度960℃、990℃、1020℃，保温2h后，取出试样进行锻造，锻造后试样直接放入盐浴炉中进行等温淬火。盐浴炉中温度设定290℃，保温时间为2h，取出试样进行金相组织观察及力学性能测试。

利用KGPS-800型50kg中频炉进行合金的熔炼、热处理采用箱式电阻炉(型号为SX2-5-12G)；冲击和硬度试验采用ZBC-300B全自动冲击测试机和R(D)-150A1型洛氏硬度仪。

钢中加入微量硼元素，可以很好的提高钢的淬透性，节约大量贵重金属镍、铬、钼等，图2为奥氏体化960℃时，不同硼含量对组织的影响。

图2a)～ c)是含B量为0.001%、0.005%、0.010%时的金相组织，从金相图片中观察到组织主要由下贝氏体+马氏体+残余奥氏体组成，而且随着硼含量的增加，贝氏体组织也增多。主要是因为钢中加入硼元素，可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上形核，并可以将贝氏体转变曲线向右移动，随着硼含量的增加，在较宽的冷速范围内，得到的贝氏体组织越多。

从图3得出，洛氏硬度随着硼含量的增加而升高，因为硼元素与铁原子形成的是间隙式固溶体，溶质原子聚集在原晶格的间隙里，使晶格尺寸发生严重畸变，从而影响硬度影响的变化。硼主要以平衡偏聚为主，硼的碳氮化物“硼相”沿着晶界析出，引起“硼脆”现象，造成冲击韧性的下降。

热处理可改变材料的组织及性能，当较高的奥氏体化温度或较长的保温时间有利于碳及合金元素在奥氏体中均匀化扩散、减少偏析，有利于减少最终组织中的白亮区，提高合金元素的利用率。图4a)～ d)是B含量为0.005%时，奥氏体化温度分别为900℃、930℃、960℃、990℃金相组织。从以下金相图片看，主要由下贝氏体+残余奥氏体+少量上贝氏体+网状渗碳体组成，在c)图中，同等范围内，奥氏体化温度为960℃时，下贝氏体数量最多，主要以细针状组织存在。

从图5数据分析得出，在960℃时，洛氏硬度值最高，达到61.2HRC，在990℃时冲击韧性最好，为7.4J/cm2。随着奥氏体化温度的升高，奥氏体中的含碳量也随之增加，等温淬火后的贝氏体组织晶粒粗大，冲击韧性降低，硬度显著增加；但当奥氏体化温度为990℃时，晶界的硼系碳化物会扩散到晶粒内，导致洛氏硬度下降，韧性上升。

经过热处理后测试性能及组织观察，重新选定奥氏体化温度范围，对试样进行形变热处理的研究，形变量在10%～20%范围内。图6a)～ c)分别为奥氏体化温度

960℃、990℃、1020℃金相组织照片。

由图可以看出，形变后的组织晶粒明显变细，经过锻造后，基体内的位错密度增加，当金属内的位错密度上升到一定值时，畸变达到了一定的程度，变形的基体内部储存的能量足够大进而发生了动态再结晶，晶粒达到了明显细化。在形变热处理与没有形变热处理工艺下，力学性能对比曲线如图7所示。洛氏硬度提高2HRC左右、冲击韧性平均上升2J/cm2。

(1)钢中加入硼元素，使贝氏体转变曲线向右移动，随着硼含量的增加，在较宽的冷速范围内，得到的贝氏体组织越多；当硼含量为0.001wt%时，冲击韧性最高为8.2J/cm2，而洛氏硬度在0.010wt%时最优，达到60HRC。

(2)经960℃×2h+290℃×2h等温淬火后的组织主要由贝氏体组成，洛氏硬度为61.2HRC，冲击韧性为7.4J/cm2。

(3)经过形变热处理后组织晶粒明显细化(形变量大约在10%～20%之间)，材质的综合力学性能比没有形变热处理有所提高。洛氏硬度提高1～3HRC，冲击韧性平均提高2J/cm2。

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