合金元素对钢的淬透性影响的试验研究

合金元素对钢的淬透性影响的试验研究

对低合金结构钢的作用可靠性是一门重要的耐腐蚀性材料，直接关系到钢热后的组织和机械。工程设计中为了保证结构件的性能,对钢的淬透性提出了严格的要求,因此结构钢的淬透性就成为冶金和机械设计工程师选用材料的重要依据,也是钢材的一个重要工艺参数。它不随钢材的截面尺寸和冷却条件而改变,而主要取决于钢的化学成份,或者说取决于钢的合金度。所以低合金结构钢加入合金元素的一个主要作用是改善钢的淬透性。甚至可以说,结构钢中加入合金元素就是为了保证淬透性。因此在合金钢的设计中,较深入地掌握不同钢系中合金元素对淬透性的单一和复合作用是十分重要的。解放后我国的材料科学工作者,在研究使用国外钢种的同时,结合我国资源情况,研究和发展了一系列的硅锰钢种,从已研究和应用的钢种成分特征来看,可以说是大同小异,只是合金元素有某些微小的变化。这些微小的变化究竟依据什么?将产生多大的影响不是很清楚。从已发表的研究报告或文献资料来看一、顶空气冷却试验法试验用钢的化学成分及临界点,见表1所有试验用钢均采用50公斤或25公斤非真空感应炉熔炼,再经大气电渣重熔,锭重为20公斤,经箱式电炉加热锻成Φ32毫米的棒材,再经退火处理,加工成标准的顶端淬火试样,试样尺寸为Φ25×100毫米。顶端淬火法作为测定连续冷却转变动力学曲线的手段,早在四十年代就为许多科技工作者为了测定距顶端不同部位的冷却速度,在试样标定的各测量点上,钻上深为0.5毫米的小孔,将热电偶焊在每一个小孔中,再将热电偶与SC-20型光点示波器联结,当试样奥氏体化后,在喷水冷却过程中,能连续不断地自动记录出试样各标点的温度和时间的变化曲线。再结合各测量点上硬度和金相组织,即可绘制出连续冷却转变动力学曲线和淬透性曲线。根据这些曲线来估价合金元素对钢的淬透性的影响和连续冷却转变动力学的作用规律。二、试验结果与讨论1解决多元素作用的必要性按上述试验方法绘制出五种钢的奥氏体连续冷却转变曲线(见图1,2,3,4,5)。为了比较合金元素对钢的过冷奥氏体转变的影响,将各钢的过冷奥氏体转变开始线绘制在一张图上,如图6所示。从图中可以看出,由于钢中的合金元素不同,致使奥氏体连续冷却转变的起始温度和时间发生了很大的变化。在40碳钢中随着硅、锰、钼和硅锰元素的加入,奥氏体连续冷却开始转变曲线逐次向右下方移动。也就是说奥氏体开始转变温度逐渐降低,孕育期逐渐拉长,其中以硅锰的复合作用对延缓奥氏体的转变最为显著,而钢中仅含单一的硅,几乎对奥氏体连续冷却转变没有影响,只是把40碳钢中奥氏体开始转变温度稍有提高,转变曲线稍向右移,但很不明显,在顶端淬火所能得到的冷却速度范围内,40碳钢只有铁素体—珠光体组织。而硅钢在距水冷端4毫米以上部位,主要是块状铁素体—珠光体和部分针状无碳的贝氏体组织(后者只是出现在距水冷端2～10毫米之间)。与此相反,锰钢,钼钢和硅锰钢中却只有贝氏体.而铁素体—珠光体组织在这些钢的顶端淬火试样中没有发现,从而进一步表明,锰,钼和硅锰等元素有利于Bs温度降低的作用。从许多人的研究2.硅中硅含量对钢淬透性的影响图7为含有不同合金元素的钢的淬透性曲线。从图7可以看出,碳钢具有最小的淬透性,硅钢,钼钢稍有改善,锰钢的淬透性较好。而硅锰钢比锰钢的淬透性又有进一步的改善,这与图6所测出的连续冷却转变动力学曲线完全对应。如果在硅锰钢中加入0.5%左右的钼,能使硅锰钢的淬透性显著提高,使顶端淬火曲线变成一条水平线(40Si2Mn2Mo,40Si2Mn2MoV)。在硅锰钢中加入0.15%的钒,不仅没有进一步改善钢的淬透性,反而有下降的倾向。这也许与钢中钒的碳化物在正常淬火温度不能完全溶解有关在研究单一或多个合金元素对钢的淬透性影响的同时,就硅锰钼钒钢中硅和锰含量对钢的淬透性的影响也作了研究。从图8可以看出,在不含锰的条件下,随着硅含量的增多,钢的淬透性就急速的增大;当硅含量大于1.3%以后,再增加钢中的硅含量,其淬透性的变化甚微,似乎硅的作用已接近于饱和状态;甚至把硅含量提高到2%,也无明显地变化。图9是不含硅或含有少量硅的钢,其中锰含量对钢的淬透性的影响,从图上可以看出,随着钢中锰含量的增加,钢的淬透性也在增加,但当锰含量大于1.2%左右时,继续提高锰含量使钢的淬透性变化更为明显。图10表明了硅锰对钢的淬透性的复合作用的影响,在含锰1.5%左右的钢中加入不同量的硅,其顶端淬火曲线显示明显的变化,与不含锰的硅钼钒钢(见图8)相比,其淬透性有很大的改善。但硅的加入量超过一定水平(>1.2%左右),进一步增加硅含量,其淬透性的增值愈来愈小,以致趋向于饱和。还应注意的是,当钢中只有1.5%左右锰时,即使把硅加到2%,也不可能使顶端淬火曲线从头至尾硬度值保持不变,即不可能使淬透性曲线成为一条水平线。当把钢中锰量增加到2%左右,硅的变化对钢的淬透性才起到应有的作用,从图11足以证明,当钢中不含或少含硅的钢中,其淬火硬度离淬火顶端大于20毫米以后就迅速地下降,到60毫米处其硬度已下降到35Rc左右,但是只要在这一钢中加入1.3%左右的硅,即可使钢的顶端淬火曲线完全成一条水平线。这就说明高锰钢(～2%Mn)中,硅对钢的淬透性的作用很大,而随着钢中锰含量的降低,硅对淬透性的作用效果逐渐减少。从上述实验结果可以看出,为了保证钢具有足够的淬透性,加入2%左右的锰是必要的,也就是说,硅锰钢中的锰含量,主要是根据对淬透性的要求来调整,当钢中锰含量小于1.5%,即使加入2%的硅,也不可能使顶端淬火曲线变成为一条水平线。3.碳的淬透性乘子的确定从上述实验结果指出,合金元素对钢的淬透性的影响不是简单的叠加关系,而是一个乘子关系。关于合金元素的淬透性乘子的计算及合金元素对乘子的影响,已有很多的研究〔1fMe——当合金元素(Me)含量为X%时的淬透性乘子。DD用此公式求合金元素的淬透性乘子,必须使试验用钢的含碳量和奥氏体的晶粒度相同或变化不大,否则会影响该合金元素淬透性乘子大小,当钢中加入两个以上合金元素时,该钢的半马氏体理想临界直径与所含合金元素的淬透性乘子有如下关系:DI——所研究合金钢中心转变为半马氏体时的理想临界直径。f利用半马氏体硬度与含碳量的关系(见图12)确定该钢半马氏体状态的硬度,借此硬度来确定试验用钢顶端淬火时达到半马氏体部位至淬火端的距离,然后用图13来确定试样中心为半马氏体的理想临界直径,再用上述两公式求得各种钢中合金元素的淬透性乘子。由于试验用钢含有0.33—0.42%的碳,碳对钢的淬透性有一定的影响,故在计算半马氏体状态的淬透性乘子时,需根据Kramer等人的研究结果〔17〕对碳的影响作如下修正:取晶粒度为8级,从图14可以查出0.30%碳,DI=0.5吋=12.7毫米,0.35%碳,DI=0.555吋=14.10毫米,0.4%碳,DI=0.60吋=15.24毫米,0.45%碳,DI=0.645时=16.35毫米。然后借(1)式以0.30%碳为基础,就可以算出各个不同含碳量的Fe-C合金,碳的淬透性乘子数,其结果如图15所示。从图中即可查出所试验钢中碳的淬透性乘子,就可以修正钢中不同碳含量对硅,锰等合金元素的淬透性乘子的影响。由于本文着重于钢中硅和锰含量变化对淬透性乘子的影响。尽力使钢中钼,钒含量固定不变,实际上由于钢中钼,钒含量波动不大(含有0.47～0.61%钼和0.09～0.17%钒),故在计算淬透性乘子时作为一个常数来处理,从而计算出获得半马氏体时各合金元素的淬透性乘子(见表2),按表2,把硅,锰淬透性乘子与钢中硅、锰含量的变化关系绘制成图16。从图中可以看出,硅和锰的淬透性乘子都随其在钢中含量的增多而增大,但应当注意到,随着钢中硅含量的增多,硅的淬透性乘子开始增加较快,当含硅量大于1.3%左右以后,乘子数就显著减小。而锰的淬透性乘子亦随其含量的增多而增大,开始增加较慢,当锰含量大于1.2%左右时,就随着锰含量的进一步增加,其淬透性乘子则急剧增大。这与上述合金元素对淬透性的影响效果完全一致。另外从图上还可以看到,当硅或锰的含量少于1.3%时,硅的淬透性乘子大于锰。当硅或锰含量大于1.3%以上时,锰的淬透性乘子比硅要高得多,其含量越多则其乘子数相差越大,从而说明锰比硅更有利于提高钢的淬透性,因此要使硅锰钼钒钢具有高的淬透性,应该使锰含量大于1.5%,而硅在1.3%左右即可。从表2可以看到0.5%左右的钼,亦可得到相当高的淬透性乘子,其值比含2%硅的作用要高,所以从保证钢的淬透性来说,钢中的钼也是必不可少的,但钒对钢的淬透性却贡献不大。1.这类钢的D2.D3.表3中数据说明图16所描绘的硅、锰含量与其淬透性乘子的关系,完全可以用来对硅锰钼钒钢淬透性的预测。锰、硅的热处理对钢的淬透性的影响从以上试验结果分析,可得出如下结论;1.硅锰钼钒钢中合金元素对淬透性的单独作用,从其淬透性乘子来看,影响最强烈的是锰,其次是钼,硅的影响最小。2.合金元素对钢的淬透性的复合作用,不是相加关系而是乘子关系,如硅单独存在时,对钢的淬透性影响很小。而加入锰钢中则能使钢的淬透性显著增大。3.硅、锰的淬透性乘子随钢中硅或锰的含