硼元素含量對(duì)調(diào)質(zhì)鋼淬透性的影響

時(shí)間：2025/7/30閱讀：197

01前言

調(diào)質(zhì)鋼是指經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的碳素結(jié)構(gòu)鋼或中低合金結(jié)構(gòu)鋼，采取包括淬火加高溫回火熱處理方式，以獲得回火索氏體，碳含量大多在0.25％～0.5％之間。調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合機(jī)械性能，有較高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性。調(diào)質(zhì)鋼大量應(yīng)用在各類機(jī)械結(jié)構(gòu)中，是結(jié)構(gòu)鋼中使用*廣泛的一類鋼。如柴油機(jī)連桿和連桿螺栓及曲軸、汽車(chē)半軸、機(jī)床主軸等。

津鈉光譜儀

鋼材高溫回火后的空冷

近年來(lái)隨著中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展,工程機(jī)械產(chǎn)品如起重機(jī)､挖掘機(jī)､裝載機(jī)等裝備的生產(chǎn)每年都在高速增長(zhǎng),對(duì)大型工程機(jī)械用鋼的需求也在不斷增加｡而含硼調(diào)質(zhì)鋼以其合金成本低､力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)在工程機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用｡

硼在調(diào)質(zhì)鋼中的作用是可通過(guò)極微少的有效含量就可以顯著提高鋼的淬透性,其效果是一般合金元素的幾百至上千倍｡鋼中加入微量的硼就可以取代大量的Mn､Cr､Mo等的合金元素,提高鋼的淬透性,具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)｡

但含硼鋼是很難冶煉且性能波動(dòng)*大的鋼種,同樣硼含量的含硼鋼,其淬透性可能相差甚遠(yuǎn),從而導(dǎo)致材料性能波動(dòng)較大｡這主要是因?yàn)榕鹪阡撝械拇嬖谛问綄?duì)鋼材的性能有十分重要的影響。一般來(lái)說(shuō),硼元素以固溶硼､氮化硼､氧化硼､鐵硼滲碳體､鐵硼酸化合物等多種形式存在。但只有以間隙式或置換式固溶硼存在時(shí),才會(huì)提高鋼材的淬透性,而以其他形式存在均對(duì)鋼的淬透性無(wú)益｡本文以鉻錳鉬系含硼調(diào)質(zhì)鋼為載體研究了硼含量對(duì)含硼鋼淬透性的影響｡

02實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)采用的含硼鋼以中低碳含量為基礎(chǔ)的化學(xué)成分,添加合金元素Mn､Cr､Mo和B等以滿足性能要求。實(shí)驗(yàn)用鋼均采用50kg真空感應(yīng)爐冶煉,為保證鋼中硼元素的有效含量,冶煉過(guò)程中Al､Ti､B合金嚴(yán)格按照先加鋁充分脫氧后再加鈦固氮,*后加硼的順序添加｡實(shí)驗(yàn)鋼的主要冶煉成分見(jiàn)表1, 1~5號(hào)樣品的區(qū)別主要在于硼含量不同,同時(shí)4號(hào)試樣加入了Nb､V兩種合金元素｡

利用光電直讀光譜(OES)､電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES),電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測(cè)定樣品中總硼含量及酸溶硼（Bsol）含量｡

將鋼錠鍛造成50mm圓棒材,圓棒在880℃進(jìn)行毛坯正火,后加工成標(biāo)準(zhǔn)端淬試樣,加熱860℃按GB/T225標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行末端淬火實(shí)驗(yàn),然后測(cè)量軸向硬度;利用金相顯微鏡沿縱向觀察端淬試樣距末端不同位置的組織變化情況｡

制備鑲嵌樣品,使用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液對(duì)樣品表面進(jìn)行腐蝕,對(duì)樣品表面進(jìn)行噴碳處理,采用10%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行萃取復(fù)型,利用JEOL JEM2100透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)典型試樣的微觀組織進(jìn)行觀察｡

03實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1酸溶硼與有效硼
表2為1~5號(hào)試樣通過(guò)光電直讀光譜､電感耦合等離子體發(fā)射光譜,電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定的硼含量表｡
意大利GNR

鋼中的總硼是由酸溶硼和酸不溶硼組成,酸不溶硼由氧化硼及氮化硼組成,其余硼的存在形式均為酸溶硼｡檢測(cè)結(jié)果表明,使用ICP-MS測(cè)定的酸溶硼含量精度較高,且酸溶硼含量占總硼含量的50%~60%｡

一般來(lái)說(shuō),硼在鋼中主要以固溶硼(Bs)､氮化硼(BN)､氧化硼(B2O3)､鐵硼滲碳體[Fe3(CB)]和鐵硼酸化合物[Fe23(CB)6]等5種形式存在。其中，氧化硼､氮化硼､鐵硼滲碳體和鐵硼酸化合物均對(duì)鋼的淬透性無(wú)益,統(tǒng)稱為無(wú)效硼｡硼原子融入奧氏體,以固溶硼的形式存在才能提高淬透性,這部分能提高淬透性的硼稱為有效硼｡為了穩(wěn)定鋼的淬透性能,應(yīng)控制有效硼含量。

測(cè)定結(jié)果中的酸溶硼中不僅包括對(duì)淬透性有效的固溶硼,還包括硼相､含硼析出相等以其他形式存在的硼｡酸溶硼并不等效于有效硼,但是排除了氧化硼和氮化硼后,使用酸溶硼對(duì)鋼材進(jìn)行淬透性評(píng)價(jià)比總硼含量更為準(zhǔn)確｡

3.2酸溶硼與淬透性
端淬試樣的淬透性硬度曲線圖見(jiàn)圖1。1~5號(hào)端淬試樣的硬度從J1.5的56HRC~57HRC,降至J50為50HRC~52HRC（J后數(shù)字代表距末端距離,mm）。整體硬度下降幅度不超過(guò)7HRC,淬透性表現(xiàn)良好｡
油料光譜儀

從圖1可知,1~5號(hào)試樣淬透性曲線均由3部分組成。第1部分為下降區(qū),由試樣末端開(kāi)始向內(nèi)至一定距離淬透性曲線單調(diào)下降,不同硼含量的樣品表現(xiàn)出的淬透性區(qū)別較小;第2部分為過(guò)渡區(qū),距末端一定距離,J11開(kāi)始某些樣品的硬度值出現(xiàn)大幅下降,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),且該區(qū)域不同硼含量的樣品表現(xiàn)出淬透性的明顯不同;第3部分為穩(wěn)定區(qū),J40以后,整體硬度較低,且不同硼含量樣品的硬度值表現(xiàn)出明顯的無(wú)規(guī)律波動(dòng)｡
由圖1可以看出,1~5號(hào)試樣的淬透性曲線差別在于第2部分的過(guò)渡區(qū)。因酸溶硼含量的不同,淬透性曲線發(fā)生明顯的變化｡對(duì)比1~5號(hào)試樣的淬透性曲線,隨著有效硼含量的上升,淬透性曲線明顯上移,鋼的淬透性隨著硼含量的增加而增強(qiáng),當(dāng)Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0003%時(shí)(即1號(hào)試樣),淬透性曲線過(guò)早地出現(xiàn)了拐點(diǎn),使1號(hào)樣在J11時(shí)的硬度值就開(kāi)始下降,淬透性降低｡

3.3顯微組織與淬透性
鋼的淬透性可以通過(guò)淬透性曲線來(lái)反應(yīng),同時(shí)也可以通過(guò)金相顯微鏡來(lái)觀察其組織變化｡

( a ) ( c ) ( e )為1號(hào)樣距末端11､ 40､ 50 mm處的顯微組織;
( b ) ( d ) ( f )為5號(hào)樣距末端11､ 40､ 50 mm處的顯微組織｡
圖2.實(shí)驗(yàn)鋼端淬試樣的顯微組織
圖2為1號(hào)､5號(hào)端淬樣品的金相組織｡圖2(a)､(b)分別為1號(hào)和5號(hào)樣品距末端11mm處的金相組織。1號(hào)樣品有少量貝氏體(B)出現(xiàn)(如圖2(a)標(biāo)記處),5號(hào)樣品組織為馬氏體(M),結(jié)合圖1的淬透性曲線,1號(hào)樣品在J11附近出現(xiàn)硬度的明顯下降。由此可見(jiàn),金相組織的變化與淬透性曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)位置基本吻合｡圖2(c)､(d)為1號(hào)樣品和5號(hào)樣品在距末端40mm處的金相組織,1號(hào)樣品和5號(hào)樣品組織同樣為馬氏體加貝氏體且均出現(xiàn)了少量的鐵素體(F),結(jié)合圖1金相組織變化與淬透性曲線過(guò)渡區(qū)與穩(wěn)定區(qū)的第2個(gè)拐點(diǎn)位置基本吻合｡圖2(e)､(f)分別為1號(hào)樣品和5號(hào)樣品在距末端50mm處的金相組織,可見(jiàn)2個(gè)樣品組織均為馬氏體+貝氏體+鐵素體,結(jié)合圖1的第3區(qū)域無(wú)規(guī)律的硬度波動(dòng),主要為測(cè)試點(diǎn)的位置不同引起的波動(dòng)｡

硼提高淬透性的作用機(jī)制一般是硼原子在奧氏體中偏聚在晶界上,降低了晶界能量,抑制了先共析鐵素體及珠光體的形核,延長(zhǎng)了奧氏體分解的孕育期,使臨界冷卻速度減少,從而增大了淬透性｡而在圖2過(guò)渡區(qū)J11､J40中,可以明顯地看到Bsol含量更高的5號(hào)試樣中貝氏體和鐵素體較少。而在1號(hào)試樣中,在J11處便有貝氏體的出現(xiàn),這主要是因?yàn)閵W氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體､珠光體和貝氏體的gh速度取決于核心生成速度和核心長(zhǎng)大速度。加入硼元素后,會(huì)顯著降低核心的生成速度,從而會(huì)提高淬透性｡而在穩(wěn)定區(qū)中,J40以后的試樣都已經(jīng)出現(xiàn)了貝氏體和鐵素體,而硼元素對(duì)核心長(zhǎng)大速度影響較小。在這個(gè)區(qū)域內(nèi),硼元素起的淬透性效果有限｡因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了硼元素對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼所表現(xiàn)的淬透性效果僅在一定的區(qū)間內(nèi)(J11~J40)作用明顯｡

04分析與討論

從圖1的1號(hào)~5號(hào)的端淬曲線特點(diǎn)可知,Bsol主要影響淬透性曲線的過(guò)渡區(qū)。因此,從圖3可以發(fā)現(xiàn),酸溶硼與試樣淬火端不同位置的硬度關(guān)系在過(guò)渡區(qū)(J11~J30)與穩(wěn)定區(qū)(J45~J50)表現(xiàn)出的規(guī)律不同｡
直讀光譜儀

在過(guò)渡區(qū),硬度值隨著B(niǎo)sol含量的升高而升高,而在穩(wěn)定區(qū),硬度值并不隨酸溶硼變化而變化,呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的波動(dòng)狀態(tài)｡因此,硼元素在錳鉻鉬系含硼調(diào)質(zhì)鋼中所表現(xiàn)的淬透性效果,在末端淬火試樣上,在過(guò)渡區(qū)間內(nèi)的作用更加明顯,對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼,這一區(qū)間從J11開(kāi)始,到J40結(jié)束｡到了J45以后,硼提高淬透性的作用減弱｡因此,使用材料時(shí),應(yīng)根據(jù)材料尺寸等淬透性深度的要求,來(lái)控制硼元素的含量｡

在過(guò)渡區(qū)中,從圖3內(nèi)J11､J30的曲線上看到,隨著B(niǎo)sol含量的升高淬火試樣的硬度升高,且曲線均在第3個(gè)點(diǎn)即Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0012%時(shí),硬度均達(dá)到*高。當(dāng)Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到0.002%時(shí),其硬度值并未出現(xiàn)進(jìn)一步的提高,表示其淬透性并未進(jìn)一步提升,因此,當(dāng)Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0012%時(shí),其在過(guò)渡區(qū)中起到的淬透性效果*佳｡有研究表明,在亞共析鋼中,有效硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0010%時(shí),硼的淬透性作用*大,且各種碳含量情況下,*大淬透性作用的有效硼含量是相同的｡而本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0012%時(shí),淬透性達(dá)到*好。這與資料顯示的有效硼*佳成分區(qū)間十分接近。因此,對(duì)不添加其他合金元素的錳鉻鉬系含硼調(diào)質(zhì)鋼來(lái)說(shuō),用Bsol含量來(lái)判斷鋼的淬透性是有效的｡

同時(shí),過(guò)渡區(qū)J11､J30在曲線上第4個(gè)點(diǎn)的硬度都出現(xiàn)了突然下降,即Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0013%的4號(hào)試樣｡而4號(hào)試樣添加了Nb､V兩種合金元素,易與硼元素形成含硼的析出相。4號(hào)樣品測(cè)定的Bsol質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0013%中,不僅包括有效硼,還包含很多含硼析出相,其酸溶硼中的有效硼含量要少于其他樣品,從而4號(hào)試樣在過(guò)渡區(qū)的硬度會(huì)發(fā)生顯著下降,出現(xiàn)淬透性降低的現(xiàn)象｡因此,鋼中添加了合金元素如V､Nb等,會(huì)降低酸溶硼中有效硼的占比,進(jìn)而會(huì)影響以酸溶硼含量來(lái)判斷淬透性的準(zhǔn)確性｡

05結(jié) 論

(1)在末端淬火試樣上,硼元素所表現(xiàn)的淬透性效果僅在一定的區(qū)間內(nèi)作用明顯,對(duì)錳鉻鉬系含硼調(diào)質(zhì)鋼來(lái)說(shuō),硼主要影響淬透性曲線的過(guò)渡區(qū),在過(guò)渡區(qū)中,淬透性隨硼含量增加而先增加后降低,當(dāng)硼含量在0.0020%,酸溶硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.0012%附近,其淬透性效果*佳｡

(2)對(duì)不添加其他合金元素的錳鉻鉬系含硼調(diào)質(zhì)鋼來(lái)說(shuō),用酸溶硼含量來(lái)判斷鋼的淬透性是有效的,且在冶煉過(guò)程中鋁､鈦､硼合金嚴(yán)格按照先加鋁充分脫氧后再加鈦固氮,*后加硼的順序,*終得到的酸溶硼含量占總硼含量的比值為50%~60%｡

(3)如含硼調(diào)質(zhì)鋼中添加了合金元素如V､Nb等,則易形成含硼析出相,因此會(huì)降低酸溶硼中有效硼含量的占比。對(duì)這類型鋼來(lái)說(shuō),使用酸溶硼含量來(lái)判斷淬透性會(huì)產(chǎn)生較大的誤差｡

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硼元素含量對(duì)調(diào)質(zhì)鋼淬透性的影響

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