封举宁1,谭峰亮2,李鸿娟1,曾 斌3,汪 力1,叶勤政4

(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)

摘 要:基于离异共析原理对SKS51钢进行快速球化退火处理(包括奥氏体化和等温球化两个阶段),研究了奥氏体化温度(750,780 ℃)、奥氏体化保温时间(10,20min)和等温球化温度(650,680,700 ℃)对显微组织和硬度的影响。结果表明:在试验条件下,升高奥氏体化温度或延长奥氏体化保温时间均会导致钢中片状碳化物增多,球化效果变差,硬度增高;经750 ℃×10min奥氏体化后,随等温球化温度升高,SKS51钢中的球状碳化物含量增加,尺寸增大,硬度降低;经750 ℃×10min+700 ℃×2h快速球化退火后,SKS51钢中的球状碳化物最多,硬度最低。

关键词:SKS51工模具钢;快速球化;显微组织;离异共析中图分类号:TG142.1;TG161 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)08-0087-04

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87封举宁,等:快速球化退火对SKS51工模具钢组织和硬度的影响致韧性和塑性降低,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 Ac1~Acm (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Table1 ChemicalcompositionofSKS51steel massfraction %C Si Mn P S N Cu Sn Ni Cr Al Fe0.81 0.21 0.36 0.0067 0.00405 0.00935 0.094 0.044 1.34 0.25 0.028 余图1 SKS51钢的显微组织Fig.1 MicrostructureofSKS51steel将试验钢板加工成12组尺寸均为10.0mm×20.0mm×4.0mm 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10min再冷却至680 ℃保温2h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10,20min。等温球化温度θ2设置为650,680,700℃,保温时间为2h。快速球化退火工艺曲线如图2所示。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 LeicaDMI8C 型倒置光 学 显 微 镜 下 观 察 显 微 组 织。 采 用 COXEMEM-30Plu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9.8N,保载时间为20s,每个试样测5个点图2 快速球化退火工艺曲线Fig.2 Rapidspheroidizingannealingprocesscurve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 ℃×10min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。经750 ℃×20min奥氏体化+650~700 ℃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10min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88封举宁,等:快速球化退火对SKS51工模具钢组织和硬度的影响图3 不同工艺参数快速球化退火后SKS51钢的显微组织Fig.3 MicrostructureofSKS51steelafterrapidspheroidizingannealingwithdifferentprocessparameters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 ℃×2h球化退火后,SKS51钢中大部分球状碳化物的尺寸小于1μm,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2μm 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。89封举宁,等:快速球化退火对SKS51工模具钢组织和硬度的影响图4 不同工艺参数下快速球化退火后SKS51钢的SEM 形貌Fig.4 SEM morphologyofSKS51steelafterrapidspheroidizingannealingwithdifferentprocessparameters

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20min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。表2 不同工艺参数下快速球化退火后SKS51钢的硬度Table2 HardnessofSKS51steelafterrapidspheroidizingannealingwithdifferentprocessparameters HV编号 退火工艺 硬度 编号 退火工艺 硬度1 750 ℃×10min+650 ℃×2h 247.8 7 780 ℃×10min+650 ℃×2h 264.82 750 ℃×10min+680 ℃×2h 240.9 8 780 ℃×10min+680 ℃×2h 238.13 750 ℃×10min+700 ℃×2h 229.6 9 780 ℃×10min+700 ℃×2h 243.84 750 ℃×20min+650 ℃×2h 252.4 10 780 ℃×20min+650 ℃×2h 265.35 750 ℃×20min+680 ℃×2h 248.3 11 780 ℃×20min+680 ℃×2h 263.36 750 ℃×20min+700 ℃×2h 232.8 12 780 ℃×20min+700 ℃×2h 250.3结合组织分析可知,与含片状碳化物组织的钢相比,含球状碳化物组织的钢的硬度更低,且球状碳化物尺寸越大,硬度越低。SKS51钢的较佳快速球化退火工艺为750℃×10min奥氏体化+700℃×2h等温球化,此时组织中球状碳化物最多,球化效果最好,硬度最低,为229.6HV。

3 结 论

(1)在试验条件下,升高奥氏体化温度或延长奥氏体化等温时间均会导致 SKS51钢中的片状碳化物增多,球化效果变差,硬度增大。(2)经750 ℃×10min奥氏体化后,随着等温球化温度升高,SKS51钢中球状碳化物含量增加,尺寸增大,硬度降低。(3)经750 ℃×10min+700 ℃×2h快速球化退火后,SKS51钢中的球状碳化物最多,球化效果最好,硬度最低。

来源：材料与测试网