工程科学学报，第37卷，第9期：1143-1148,2015年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.9:1143-1148,September 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.09.006:http://journals.ustb.edu.cn 冷却速率和奥氏体化温度对40Cr钢球化退火的影响 邱木生，祭程⑧，朱苗勇，徐东 东北大学材料与治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:jic@smm.neu.cdu.cm 摘要为探究奥氏体化温度和冷却速率对40C钢球化过程的影响，采用双相区球化退火研究了热轧态40C钢的球化退 火行为和力学性能.奥氏体化温度从760℃提高到800℃，冷却速率从10℃h上升到30℃h,组织硬度随冷却速度呈V 形变化，碳化物球化率随冷却速度变化正好与前者相反.奥氏体化温度为760℃，冷却速率为20℃h所得到的球化组织球 化率高，且碳化物细小，具有良好的冷成形性能，可大幅度缩短球化退火时间，显著提高生产效率.提出了球化退火过程中离 异共析转变机制，控制好球化过程中奥氏体化温度、冷却速率及保温时间有利于离异共析转变的发生. 关键词中碳钢：退火；力学性能：奥氏体化温度：冷却速率 分类号TG156.21 Effect of cooling rate and austenitizing temperature on the spheroidizing annealing of 40Cr steel QIU Mu-sheng,JI Cheng,ZHU Miao-yong,XU Dong School of Materials and Metallurgy,Northeaster University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:jic@smm.neu.edu.cn ABSTRACT To study the impact of austenitizing temperature and cooling rate on the spheroidizing annealing process of 40Cr steel, the spheroidizing annealing behavior and the mechanical properties of 40Cr steel were investigated by conventional intercritical annea- ling.It is found that with the austenitizing temperature between 760 C and 800C,the hardness varies as a "V"shape but the ce- mentite spheroidization rate changes as an inverted "V"shape with increasing cooling rate from 10C.hto 30C.h-.Higher sphe- roidization level and finer carbides,which are obtained at an austenitizing temperature of 760C and a cooling rate of 20C.h,make the steel having a better cold formability.A divorced eutectoid transformation (DET)reaction mechanism of the spheroidizing annea- ling process was proposed,and the occurrence of the divorced eutectoid transformation reaction depends strongly on austenitizing tem- perature,cooling rate and holding time. KEY WORDS medium carbon steels:annealing:mechanical properties:austenitizing temperature;cooling rate 40Cr钢是一种含碳量为0.37%~0.44%的中碳 状珠光体的裂纹扩展速率远低于片状珠光体组织Ⅲ 钢，主要用于8级螺母，8.8级螺栓，其原始组织一般 为了获得令人满意的球化组织，对钢球化退火处理过 为铁素体和珠光体组织，因其硬度高，不易进行冷成形 程的研究显得尤为重要.球化退火处理是目前紧固件 加工，往往需要进行球化处理：球化处理后的组织为弥 生产过程中最为耗时、耗能的工序，其周期大约为 散的球状碳化物分布在铁素体基体上，可以明显改善 12~20h四.因此紧固件制造行业迫切希望能够简化 其切削加工性能.球化碳化物的形状和分布对钢的断 球化退火工艺，缩短球化退火时间.国内外很多学者 裂韧性有很重要的影响，在相同的应力强度条件下，球 从不同角度研究了钢的球化退火过程.李峰等网研究 收稿日期：201403-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474058)：中央高校基本科研业务费资助项目(N130402017)
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期: 1143--1148，2015 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 9: 1143--1148，September 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 09． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 冷却速率和奥氏体化温度对 40Cr 钢球化退火的影响 邱木生，祭 程，朱苗勇，徐 东 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819 通信作者，E-mail: jic@ smm． neu． edu． cn 摘 要 为探究奥氏体化温度和冷却速率对 40Cr 钢球化过程的影响，采用双相区球化退火研究了热轧态 40Cr 钢的球化退 火行为和力学性能． 奥氏体化温度从 760 ℃提高到 800 ℃，冷却速率从 10 ℃·h － 1 上升到 30 ℃·h － 1 ，组织硬度随冷却速度呈 V 形变化，碳化物球化率随冷却速度变化正好与前者相反． 奥氏体化温度为 760 ℃，冷却速率为 20 ℃·h － 1 所得到的球化组织球 化率高，且碳化物细小，具有良好的冷成形性能，可大幅度缩短球化退火时间，显著提高生产效率． 提出了球化退火过程中离 异共析转变机制，控制好球化过程中奥氏体化温度、冷却速率及保温时间有利于离异共析转变的发生． 关键词 中碳钢; 退火; 力学性能; 奥氏体化温度; 冷却速率 分类号 TG156. 21 Effect of cooling rate and austenitizing temperature on the spheroidizing annealing of 40Cr steel QIU Mu-sheng，JI Cheng ，ZHU Miao-yong，XU Dong School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China Corresponding author，E-mail: jic@ smm． neu． edu． cn ABSTＲACT To study the impact of austenitizing temperature and cooling rate on the spheroidizing annealing process of 40Cr steel， the spheroidizing annealing behavior and the mechanical properties of 40Cr steel were investigated by conventional intercritical annealing． It is found that with the austenitizing temperature between 760 ℃ and 800 ℃，the hardness varies as a“V”shape but the cementite spheroidization rate changes as an inverted“V”shape with increasing cooling rate from 10 ℃·h － 1 to 30 ℃·h － 1 ． Higher spheroidization level and finer carbides，which are obtained at an austenitizing temperature of 760 ℃ and a cooling rate of 20 ℃·h － 1 ，make the steel having a better cold formability． A divorced eutectoid transformation ( DET) reaction mechanism of the spheroidizing annealing process was proposed，and the occurrence of the divorced eutectoid transformation reaction depends strongly on austenitizing temperature，cooling rate and holding time． KEY WOＲDS medium carbon steels; annealing; mechanical properties; austenitizing temperature; cooling rate 收稿日期: 2014--03--18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474058) ; 中央高校基本科研业务费资助项目( N130402017) 40Cr 钢是一种含碳量为 0. 37% ～ 0. 44% 的中碳 钢，主要用于 8 级螺母，8. 8 级螺栓，其原始组织一般 为铁素体和珠光体组织，因其硬度高，不易进行冷成形 加工，往往需要进行球化处理; 球化处理后的组织为弥 散的球状碳化物分布在铁素体基体上，可以明显改善 其切削加工性能． 球化碳化物的形状和分布对钢的断 裂韧性有很重要的影响，在相同的应力强度条件下，球 状珠光体的裂纹扩展速率远低于片状珠光体组织［1］． 为了获得令人满意的球化组织，对钢球化退火处理过 程的研究显得尤为重要． 球化退火处理是目前紧固件 生产过 程 中 最 为 耗 时、耗 能 的 工 序，其 周 期 大 约 为 12 ～ 20 h ［2］． 因此紧固件制造行业迫切希望能够简化 球化退火工艺，缩短球化退火时间． 国内外很多学者 从不同角度研究了钢的球化退火过程． 李峰等［3］研究
·1144 工程科学学报，第37卷，第9期 了40C钢快速球化退火的可行性，结果表明快速球化 图1所示.这种原料如果不进行球化退火，以获得塑 退火不仅提高了球化后组织性能，而且缩短了球化时 性较好的粒状珠光体组织，冷镦时会出现大量裂纹，使 间.Verhoeven和Gibson提出了关于球化退火时离 残次品增加，因而球化退火是标准件生产中的关键环 异共析转变的动力学模型，结果表明离异共析转变在 节.球化退火处理实验在一箱式电阻炉中进行.为防 较低的过冷度和较小的颗粒间距情况下发生.Atasoy 止样品表面脱碳对后续金相观察的影响，球化退火处 和Ozbilen可采用定量金相学和硬度测试对含硅钢的 理后的样品从中间切开，取其中一个作为金相试样，将 珠光体球化进行研究，其结果表明渗碳体球化率随珠 剖开面打磨抛光后用3%硝酸乙醇溶液腐蚀表面3$， 光体片层间距减小而增加.Tian和Kraft网对珠光体球 腐蚀后采用Ziess Axio Imager..M2m正置全自动材料显 化机制进行了研究，结果表明缺陷迁移理论是钢球化 微镜观察其微观组织形貌.在控制显微镜的AxiVision 过程的主要机制.冷却速度和奥氏体化温度对钢的球 R4.8软件所获取的金相照片中，渗碳体显示为黑色 化退火过程有着重要的影响，而目前对钢球化退火过 组织，铁素体为白色组织.所有样品的硬度采用FM一 程的研究主要集中在如何简化球化工序，进而提高球 700显微硬度测试分析仪进行测量，最终硬度结果是 化效率，对主要影响因素是如何作用于球化退火过程 五次测量值的平均值 还知之甚少.本文探讨奥氏体化温度和冷却速率对 40C钢球化退火行为的影响进行了研究，以期获得适 合40C钢碳化物球化的奥氏体化温度及冷却速度，并 探索适合现代生产冷镦钢线材的合理球化退火工艺制 度，为工业应用提供依据 1实验材料和方法 1.1实验材料和设备 40Cr钢的化学成分见表1. 表1实验用40C钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of investigated 40Cr steel% 20m C Si Mn Cr P S Cu 图1热轧态40Cr钢原始组织 0.410.270.650.950.0150.0080.020.01 Fig.1 Original microstructure of the hot rolled 40Cr steel 为了获得适当的球化退火工艺，实验样品截取于 1.2球化退火工艺设计 某钢厂热轧盘条.其轧制工艺如下：将连铸后的钢坯 某钢厂所采用的40C钢球化退火工艺示意图如 进行开坯，开坯过程中加热温度为1100~1130℃，加 图2(a)所示.其退火工艺参数为：双相区760~780℃ 热时间为5~7h;将开坯后的钢坯进行轧制，开轧温度 某一温度保温5h奥氏体化：以炉冷方式缓冷至临界温度 为1050~1080℃，终轧温度为875~895℃，吐丝温度 A以下约20℃，保温4h;从等温温度炉冷至450℃：出炉 为800~815℃；钢坯轧制后以5~15℃·s的冷却速 后空冷至室温 率快速冷却至550~600℃，随后在辊道冷却线上保温 文献]中指出，离异共析转变相对于珠光体转 至300~350℃集卷，得到40Cr钢轧材.将热轧盘条加 变，前者一般在奥氏体化后在稍低于奥氏体化温度较 工成5mm×l5mm柱状试样，其原始组织主要为粗 低的冷却速率时发生.本文在40C钢获得较好的球 大的铁素体和珠光体组织，并含有部分贝氏体组织，如 化组织的前提下，考虑奥氏体化温度及冷却速率对球 ◆(a) 30℃.h、25℃.h,20℃h-1 760-780℃ (780±20)℃ 15℃h和10℃h 660-680℃ 一A1 680℃ 炉冷至450℃ 炉冷50℃ 5h .4h 空冷 15 mir 4h 空冷 时间h 时间h 图2球化退火工艺.(a)某钢厂：()实验钢 Fig.2 Spheroidization heat treatment for 40Cr steel:(a)a steel plant:(b)investigated steel
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 了 40Cr 钢快速球化退火的可行性，结果表明快速球化 退火不仅提高了球化后组织性能，而且缩短了球化时 间． Verhoeven 和 Gibson ［4］ 提出了关于球化退火时离 异共析转变的动力学模型，结果表明离异共析转变在 较低的过冷度和较小的颗粒间距情况下发生． Atasoy 和 zbilen ［5］采用定量金相学和硬度测试对含硅钢的 珠光体球化进行研究，其结果表明渗碳体球化率随珠 光体片层间距减小而增加． Tian 和 Kraft ［6］对珠光体球 化机制进行了研究，结果表明缺陷迁移理论是钢球化 过程的主要机制． 冷却速度和奥氏体化温度对钢的球 化退火过程有着重要的影响，而目前对钢球化退火过 程的研究主要集中在如何简化球化工序，进而提高球 化效率，对主要影响因素是如何作用于球化退火过程 还知之甚少． 本文探讨奥氏体化温度和冷却速率对 40Cr 钢球化退火行为的影响进行了研究，以期获得适 合 40Cr 钢碳化物球化的奥氏体化温度及冷却速度，并 探索适合现代生产冷镦钢线材的合理球化退火工艺制 度，为工业应用提供依据． 1 实验材料和方法 1. 1 实验材料和设备 40Cr 钢的化学成分见表 1． 表 1 实验用 40Cr 钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of investigated 40Cr steel % C Si Mn Cr P S Cu Ni 0. 41 0. 27 0. 65 0. 95 0. 015 0. 008 0. 02 0. 01 图 2 球化退火工艺． ( a) 某钢厂; ( b) 实验钢 Fig． 2 Spheroidization heat treatment for 40Cr steel: ( a) a steel plant; ( b) investigated steel 为了获得适当的球化退火工艺，实验样品截取于 某钢厂热轧盘条． 其轧制工艺如下: 将连铸后的钢坯 进行开坯，开坯过程中加热温度为 1100 ～ 1130 ℃，加 热时间为 5 ～ 7 h; 将开坯后的钢坯进行轧制，开轧温度 为 1050 ～ 1080 ℃，终轧温度为 875 ～ 895 ℃，吐丝温度 为 800 ～ 815 ℃ ; 钢坯轧制后以 5 ～ 15 ℃·s － 1 的冷却速 率快速冷却至 550 ～ 600 ℃，随后在辊道冷却线上保温 至 300 ～ 350 ℃集卷，得到 40Cr 钢轧材． 将热轧盘条加 工成 5 mm × 15 mm 柱状试样，其原始组织主要为粗 大的铁素体和珠光体组织，并含有部分贝氏体组织，如 图 1 所示． 这种原料如果不进行球化退火，以获得塑 性较好的粒状珠光体组织，冷镦时会出现大量裂纹，使 残次品增加，因而球化退火是标准件生产中的关键环 节． 球化退火处理实验在一箱式电阻炉中进行． 为防 止样品表面脱碳对后续金相观察的影响，球化退火处 理后的样品从中间切开，取其中一个作为金相试样，将 剖开面打磨抛光后用 3% 硝酸乙醇溶液腐蚀表面 3 s， 腐蚀后采用 Ziess Axio Imager． M2m 正置全自动材料显 微镜观察其微观组织形貌． 在控制显微镜的 AxiVision Ｒel4. 8 软件所获取的金相照片中，渗碳体显示为黑色 组织，铁素体为白色组织． 所有样品的硬度采用 FM-- 700 显微硬度测试分析仪进行测量，最终硬度结果是 五次测量值的平均值． 图 1 热轧态 40Cr 钢原始组织 Fig． 1 Original microstructure of the hot rolled 40Cr steel 1. 2 球化退火工艺设计 某钢厂所采用的 40Cr 钢球化退火工艺示意图如 图 2( a) 所示． 其退火工艺参数为: 双相区 760 ～ 780 ℃ 某一温度保温5 h 奥氏体化; 以炉冷方式缓冷至临界温度 Ac1以下约20 ℃，保温4 h; 从等温温度炉冷至 450 ℃; 出炉 后空冷至室温． 文献［7］中指出，离异共析转变相对于珠光体转 变，前者一般在奥氏体化后在稍低于奥氏体化温度较 低的冷却速率时发生． 本文在 40Cr 钢获得较好的球 化组织的前提下，考虑奥氏体化温度及冷却速率对球 ·1144·
邱木生等：冷却速率和奥氏体化温度对40Cr钢球化退火的影响 1145· 化过程的影响，因此等温温度及在此温度下保温时间 1000 确定为常数.由于C的加入，部分Cr溶于渗碳体中形 奥氏体化温度为1200℃.5mim A,温度790℃ 成合金渗碳体(FeCr),C,使渗碳体的稳定性增加，故 800 应提高相应的加热温度以使其溶解，为了防止奥氏体 4,温度740℃ 均匀化及渗碳体完全溶解，保温时间不宜过长。采用 600 MMS-300热力模拟试验机测定40Cr钢临界点温度 400 Ms A温度为740℃，Aa温度为790℃，其连续静态冷却 转变曲线如图3所示.考虑铬加入引起的效果，实验 200 设置加热温度分别为760、780和800℃，保温时间均 1 0.50.1 0.05 为l5min,考虑不同的冷却速率对离异共析转变的影 0 冷却速率℃%85 10n 10 103 10 105 响.整个球化退火工艺过程如图2(b)所示. 时间/s 图340Cr钢静态连续冷却转变曲线图 2实验结果及分析 Fig.3 Static continuous cooling transformation curves of 40Cr steel 2.1球化组织形貌 化退火处理后微观组织.从图中可以看出，在760℃ 图4为通过图2(b)中球化退火工艺下所得的球 (图4(b)和780℃（图4(e)保温15min后以20℃· 20m 20 un 图4不同奥氏体化温度和冷却速率时球化退火微观组织.(a)760℃，10℃h1:(b)760℃，20℃h1：(c)760℃，30℃h1:(d) 780℃，10℃h1:(e)780℃，20℃hl:(0780℃，30℃h1:(g)800℃，10℃h1:(h)800℃，20℃-h1:(i)800℃，30℃. h-t Fig.4 Spheroidized microstructures of40 Cr steel at different austenitizing temperatures and cooling rates:(a)760℃，10℃·hl:(b)760℃， 20℃h1:(c）760℃，30℃h-1:(d)780℃，10℃h1:(e)780℃，20℃h1:(0780℃，30℃h1:(g)800℃，10℃h-l:(h) 800℃，20℃-h-1:(i)800℃，30℃h-1
邱木生等: 冷却速率和奥氏体化温度对 40Cr 钢球化退火的影响 化过程的影响，因此等温温度及在此温度下保温时间 确定为常数． 由于 Cr 的加入，部分 Cr 溶于渗碳体中形 成合金渗碳体( FeCr) 3 C，使渗碳体的稳定性增加，故 应提高相应的加热温度以使其溶解，为了防止奥氏体 均匀化及渗碳体完全溶解，保温时间不宜过长． 采用 MMS--300 热力模拟试验机测定 40Cr 钢临界点温度 Ac1温度为 740 ℃，Ac3温度为 790 ℃，其连续静态冷却 转变曲线如图 3 所示． 考虑铬加入引起的效果，实验 设置加热温度分别为 760、780 和 800 ℃，保温时间均 为 15 min，考虑不同的冷却速率对离异共析转变的影 响． 整个球化退火工艺过程如图 2( b) 所示． 图 4 不同奥氏体化温度和冷却速率时球化退火微观组织． ( a) 760 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( b) 760 ℃，20 ℃·h － 1 ; ( c) 760 ℃，30 ℃·h － 1 ; ( d) 780 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( e) 780 ℃，20 ℃·h － 1 ; ( f) 780 ℃，30 ℃·h － 1 ; ( g) 800 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( h) 800 ℃，20 ℃·h － 1 ; ( i) 800 ℃，30 ℃· h － 1 Fig． 4 Spheroidized microstructures of 40Cr steel at different austenitizing temperatures and cooling rates: ( a) 760 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( b) 760 ℃， 20 ℃·h － 1 ; ( c) 760 ℃，30 ℃·h － 1 ; ( d) 780 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( e) 780 ℃，20 ℃·h － 1 ; ( f) 780 ℃，30 ℃·h － 1 ; ( g) 800 ℃，10 ℃·h － 1 ; ( h) 800 ℃，20 ℃·h － 1 ; ( i) 800 ℃，30 ℃·h － 1 2 实验结果及分析 2. 1 球化组织形貌 图 4 为通过图 2( b) 中球化退火工艺下所得的球 图 3 40Cr 钢静态连续冷却转变曲线图 Fig． 3 Static continuous cooling transformation curves of 40Cr steel 化退火处理后微观组织． 从图中可以看出，在 760 ℃ ( 图 4( b) ) 和 780 ℃ ( 图 4( e) ) 保温 15 min 后以 20 ℃· ·1145·
·1146 工程科学学报，第37卷，第9期 h-1的冷却速率冷却至680℃保温4h,再炉冷至450℃ 后出炉空冷，可获得较好的球化组织.图4(b)中渗 碳体颗粒宽高比大多在1~3，渗碳体基本都达到球 形的颗粒状且在铁素体基体上均匀分布：图4(e)中 渗碳体颗粒部分出现棒状或短杆状：而800℃条件下 的图4()中渗碳体没有达到完整的球化，其微观组 织由新形成的片状珠光体和部分球状渗碳体颗粒 组成 在20℃·h冷却速率条件下，随着奥氏体化温度 提高到800℃，球化退火处理得到的是棒状渗碳体或 片状珠光体而非球状渗碳体.奥氏体化温度过高或奥 氏体化温度保温时间过长，将导致渗碳体大量溶解，使 图5某钢厂球化退火工艺所得球化退火微观组织 得形成渗碳体的形核核心数目大量减少，不利于形成 Fig.5 Spheroidized microstructures of 40Cr steel after spheroidiza- 球状渗碳体，本实验在奥氏体化温度保温时间均为 tion heat treatment in a steel plant l5min,因此是奥氏体化温度过高导致不利于形成球 状渗碳体.奥氏体化温度影响渗碳体颗粒长大机制， 度如图6所示.从图中可以得出，三种奥氏体化温度 温度过高会使得颗粒按Ostwald机制图长大，球状渗 下实验钢硬度随冷却速率的提高而呈V形变化趋势， 碳体将不断长大粗化，颗粒数目也逐渐减少，这是实施 硬度在冷却速率到达20℃h时达最小值.除了冷却 球化退火工艺过程中要尽量避免的. 速率为30℃h1及奥氏体化温度为760℃时所得硬度 奥氏体化温度为760℃时，随着冷却速率的不断 较其他两种奥氏体化温度都低，且在20℃·h时达到 提高，渗碳体球化组织在冷却速率为20℃·h时达到 最低153.3HV.测试所得的实验钢硬度与其微观组织 有一定的联系，球化退火钢的硬度与球化程度、球化后 最佳，当冷却速率降低或者升高时，出现片层渗碳体的 几率增大，硬度也随之增大，这使40C钢不能获得良 颗粒粒度和颗粒分布有着直接的关系，球化程度越好， 颗粒粒度越小，分布越均匀，则所得球化后钢的硬度就 好的冷镦性能.冷却速率是影响球化后组织的关键因 素，在奥氏体向珠光体转变时，冷却速率越低，转变发 越低.图6所示的硬度变化也很好地与图4中球化组 生的温度就越高，随着温度的提高，渗碳体发生溶解： 织随冷却速率变化相吻合 在随后的缓冷过程中，这些残留的球状碳化物使得奥 奥氏体化温度 氏体发生离异共析转变，从而获得完全的球化组织. 180 一760℃ ◆一780℃ 对于40Cr钢球化退火而言，适宜的奥氏体化温度为 ▲一800℃ 760℃，在此条件下渗碳体颗粒部分溶解，在渗碳体 三170 颗粒未溶解处，奥氏体在冷却时析出剩余的碳，发生 铁素体和渗碳体单独形核长大，促使转变偏向离异 160 共析转变可 图5是在图2(a)所示某钢厂40Cr钢球化退火工 艺中奥氏体化温度为760℃、等温温度为680℃时所得 150 10 15 20 25 0 的球化退火微观组织.从金相图中可以看出，在此工 冷却速率/（℃·h-) 艺下的球化退火并不完全，组织中含有一定量的片状 图6不同球化退火工艺处理后的40Cx钢硬度 渗碳体，其球化退火工艺与图4(b)的退火工艺类似， Fig.6 Change in hardness of 40Gr steel after different spheroidizing 不同的是图4(b)是760℃保温15min后以20℃·h-1 annealing processes 的冷却速率降温至等温温度.40C钢在实验所用球化 2.3球化处理后微观组织定量分析 退火工艺下得到的图4(b)金相组织中渗碳体颗粒球 利用Image--Pro Plus6.0的图像对比度增强功能 化效果比某钢厂球化退火工艺所得球化组织好.由此 后，可以定量测出单个碳化物颗粒的平均尺寸，即通过 可见，奥氏体化温度保温时间过长，将导致渗碳体大量 对比度增强后，粒状碳化物颗粒显示为黑色，而基体则 溶解或已球化的渗碳体颗粒继续粗化长大，不利于形 显示为白色，利用细小颗粒状碳化物与基体色差，采用 成均匀的球状渗碳体 软件识别出黑色区域，即可统计出每个分散的碳化物 2.2硬度测试 颗粒尺寸以及碳化物球化率.图7为40C钢球化退 不同奥氏体化温度和冷却速率所得40C钢的硬 火后扫描电镜显微组织形貌图和对应的对比度增强后
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 h － 1 的冷却速率冷却至 680 ℃保温 4 h，再炉冷至 450 ℃ 后出炉空冷，可获得较好的球化组织． 图 4 ( b) 中渗 碳体颗粒宽高比大多在 1 ～ 3，渗碳体基本都达到球 形的颗粒状且在铁素体基体上均匀分布; 图 4( e) 中 渗碳体颗粒部分出现棒状或短杆状; 而 800 ℃ 条件下 的图 4( h) 中渗碳体没有达到完整的球化，其微观组 织由新形 成 的 片 状 珠 光 体 和 部 分 球 状 渗 碳 体 颗 粒 组成． 在 20 ℃·h － 1 冷却速率条件下，随着奥氏体化温度 提高到 800 ℃，球化退火处理得到的是棒状渗碳体或 片状珠光体而非球状渗碳体． 奥氏体化温度过高或奥 氏体化温度保温时间过长，将导致渗碳体大量溶解，使 得形成渗碳体的形核核心数目大量减少，不利于形成 球状渗碳体，本实验在奥氏体化温度保温时间均为 15 min，因此是奥氏体化温度过高导致不利于形成球 状渗碳体． 奥氏体化温度影响渗碳体颗粒长大机制， 温度过高会使得颗粒按 Ostwald 机制［8］ 长大，球状渗 碳体将不断长大粗化，颗粒数目也逐渐减少，这是实施 球化退火工艺过程中要尽量避免的． 奥氏体化温度为 760 ℃ 时，随着冷却速率的不断 提高，渗碳体球化组织在冷却速率为 20 ℃·h － 1 时达到 最佳，当冷却速率降低或者升高时，出现片层渗碳体的 几率增大，硬度也随之增大，这使 40Cr 钢不能获得良 好的冷镦性能． 冷却速率是影响球化后组织的关键因 素，在奥氏体向珠光体转变时，冷却速率越低，转变发 生的温度就越高，随着温度的提高，渗碳体发生溶解; 在随后的缓冷过程中，这些残留的球状碳化物使得奥 氏体发生离异共析转变，从而获得完全的球化组织． 对于 40Cr 钢球化退火而言，适宜的奥氏体化温度为 760 ℃ ，在此条件下渗碳体颗粒部分溶解，在渗碳体 颗粒未溶解处，奥氏体在冷却时析出剩余的碳，发生 铁素体和渗碳体单独形核长大，促使转变偏向离异 共析转变［9］． 图 5 是在图 2( a) 所示某钢厂 40Cr 钢球化退火工 艺中奥氏体化温度为760 ℃、等温温度为680 ℃时所得 的球化退火微观组织． 从金相图中可以看出，在此工 艺下的球化退火并不完全，组织中含有一定量的片状 渗碳体，其球化退火工艺与图 4( b) 的退火工艺类似， 不同的是图 4( b) 是 760 ℃ 保温 15 min 后以 20 ℃·h － 1 的冷却速率降温至等温温度． 40Cr 钢在实验所用球化 退火工艺下得到的图 4( b) 金相组织中渗碳体颗粒球 化效果比某钢厂球化退火工艺所得球化组织好． 由此 可见，奥氏体化温度保温时间过长，将导致渗碳体大量 溶解或已球化的渗碳体颗粒继续粗化长大，不利于形 成均匀的球状渗碳体． 2. 2 硬度测试 不同奥氏体化温度和冷却速率所得 40Cr 钢的硬 图 5 某钢厂球化退火工艺所得球化退火微观组织 Fig． 5 Spheroidized microstructures of 40Cr steel after spheroidization heat treatment in a steel plant 度如图 6 所示． 从图中可以得出，三种奥氏体化温度 下实验钢硬度随冷却速率的提高而呈 V 形变化趋势， 硬度在冷却速率到达 20 ℃·h － 1 时达最小值． 除了冷却 速率为 30 ℃·h － 1 及奥氏体化温度为 760 ℃时所得硬度 较其他两种奥氏体化温度都低，且在 20 ℃·h － 1 时达到 最低 153. 3 HV． 测试所得的实验钢硬度与其微观组织 有一定的联系，球化退火钢的硬度与球化程度、球化后 颗粒粒度和颗粒分布有着直接的关系，球化程度越好， 颗粒粒度越小，分布越均匀，则所得球化后钢的硬度就 越低． 图 6 所示的硬度变化也很好地与图 4 中球化组 织随冷却速率变化相吻合． 图 6 不同球化退火工艺处理后的 40Cr 钢硬度 Fig． 6 Change in hardness of 40Gr steel after different spheroidizing annealing processes 2. 3 球化处理后微观组织定量分析 利用 Image--Pro Plus 6. 0 的图像对比度增强功能 后，可以定量测出单个碳化物颗粒的平均尺寸，即通过 对比度增强后，粒状碳化物颗粒显示为黑色，而基体则 显示为白色，利用细小颗粒状碳化物与基体色差，采用 软件识别出黑色区域，即可统计出每个分散的碳化物 颗粒尺寸以及碳化物球化率． 图 7 为 40Cr 钢球化退 火后扫描电镜显微组织形貌图和对应的对比度增强后 ·1146·
邱木生等：冷却速率和奥氏体化温度对40Cr钢球化退火的影响 *1147· 的图像.渗碳体球化率作为一个定量衡量渗碳体球化 尺寸的比值≤3时的渗碳体颗粒数与渗碳体颗粒总数 程度的参数，此处定义渗碳体颗粒的最大尺寸与最小 的比值为渗碳体球化率@ (a (b) 24m 10013 图7球化退火后40C钢扫描电镜显微组织形貌()和相同区域对比度增强后的图像(b) Fig.7 SEM micrograph of 40Cr steel after spheroidizing annealing (a)and enhanced image of the same region (b) 图8所示为实验钢在不同奥氏体化温度时球化退 发生珠光体转变或缓冷情况下的离异共析转变，前者 火后渗碳体球化率随冷却速率的变化.图中球化率是 转变为铁素体和渗碳体的混合组织，后者得到的是铁 在各球化退火工艺条件下所得扫描电镜显微组织形貌 素体基体上分布着的渗碳体颗粒的软微组织.两种转 图中任意选取三幅，然后按图7所示方法进行统计并求 变方式的主要区别在于：珠光体转变时其组织结构以 均值得出的.从图中可以得出，随冷却速率从10℃h1 铁素体相和渗碳体相成对耦合形式长大，而离异共析 逐渐增加到30℃·h·,三种奥氏体化温度下的球化率 转变并不是耦合转变，其条件是奥氏体中含有细小且 呈倒V形变化，在奥氏体化温度为760℃及冷却速率 致密分布着的渗碳体颗粒山.二者转变示意图如图9 为20℃h时达到0.97.奥氏体化温度为800℃时， 所示.这些颗粒在奥氏体向铁素体转变的过程中以扩 球化率增加趋势不是很大，在冷却速率为20℃h也 散为控制过程粗化长大☒，通常对于离异共析转变， 只有0.65，渗碳体球化率普遍较低.这是因为奥氏体 需要更多的碳原子的扩散.从奥氏体化温度冷却过程 化温度过高使得大量渗碳体颗粒溶解，不利于形成球 中，这两种转变逐渐完成，而在冷却过程中到底以哪种 状珠光体，使得转变偏向片层珠光体.当冷却速率继 转变方式出现，主要取决于渗碳体颗粒间距、奥氏体化 续增加，渗碳体球化率呈现下降趋势.因此，控制适当 温度、保温时间和冷却速率，较低的冷却速率有利于离 的冷却速率，有利于组织向球化渗碳体转变 异共析转变国 100 转变前沿 90 80 Fe.C ● 0 ●● 70 ,0°8°0 ● 60 8000 ●Y ●8 50 0 40 。00.09 ●● 30 。一奥氏体化温度800℃ ·一奥氏体化温度780℃ 珠光体生长前沿 DET生长前沿 ·一奥氏体化温度760℃ 图9珠光体转变和离异共析转变(DET)示意图 10 10 5 20 25 30 Fig.9 Pearlite transformation and divorced eutectoid transformation 冷却速率/（℃·h) diagram 图8不同球化退火工艺处理后组织球化率变化情况 Fig.8 Change of cementite spheroidizing level after different sphe- 4 结论 roidizing annealing processes (1)在冷却速率为20℃·h时，随奥氏体化温度 3 40Cr钢球化退火过程离异共析转变机制 从760℃升高到800℃，组织转变由开始的离异共析转 变主导过渡到偏向于珠光体转变：渗碳体球化率及组 在临界温度A。以上和A以下保温可以实现渗碳 织硬度随冷却速率的递增分别呈现倒V形和V形变 体的不完全溶解，然后含有细小渗碳体颗粒的奥氏体 化趋势
邱木生等: 冷却速率和奥氏体化温度对 40Cr 钢球化退火的影响 的图像． 渗碳体球化率作为一个定量衡量渗碳体球化 程度的参数，此处定义渗碳体颗粒的最大尺寸与最小 尺寸的比值≤3 时的渗碳体颗粒数与渗碳体颗粒总数 的比值为渗碳体球化率［10］． 图 7 球化退火后 40Cr 钢扫描电镜显微组织形貌( a) 和相同区域对比度增强后的图像( b) Fig． 7 SEM micrograph of 40Cr steel after spheroidizing annealing ( a) and enhanced image of the same region ( b) 图 8 所示为实验钢在不同奥氏体化温度时球化退 火后渗碳体球化率随冷却速率的变化． 图中球化率是 在各球化退火工艺条件下所得扫描电镜显微组织形貌 图中任意选取三幅，然后按图 7 所示方法进行统计并求 均值得出的． 从图中可以得出，随冷却速率从 10 ℃·h －1 逐渐增加到 30 ℃·h － 1 ，三种奥氏体化温度下的球化率 呈倒 V 形变化，在奥氏体化温度为 760 ℃ 及冷却速率 为 20 ℃·h － 1 时达到 0. 97． 奥氏体化温度为 800 ℃ 时， 球化率增加趋势不是很大，在冷却速率为 20 ℃·h － 1 也 只有 0. 65，渗碳体球化率普遍较低． 这是因为奥氏体 化温度过高使得大量渗碳体颗粒溶解，不利于形成球 状珠光体，使得转变偏向片层珠光体． 当冷却速率继 续增加，渗碳体球化率呈现下降趋势． 因此，控制适当 的冷却速率，有利于组织向球化渗碳体转变． 图 8 不同球化退火工艺处理后组织球化率变化情况 Fig． 8 Change of cementite spheroidizing level after different spheroidizing annealing processes 3 40Cr 钢球化退火过程离异共析转变机制 在临界温度 Ac1以上和 Ac3以下保温可以实现渗碳 体的不完全溶解，然后含有细小渗碳体颗粒的奥氏体 发生珠光体转变或缓冷情况下的离异共析转变，前者 转变为铁素体和渗碳体的混合组织，后者得到的是铁 素体基体上分布着的渗碳体颗粒的软微组织． 两种转 变方式的主要区别在于: 珠光体转变时其组织结构以 铁素体相和渗碳体相成对耦合形式长大，而离异共析 转变并不是耦合转变，其条件是奥氏体中含有细小且 致密分布着的渗碳体颗粒［11］． 二者转变示意图如图 9 所示． 这些颗粒在奥氏体向铁素体转变的过程中以扩 散为控制过程粗化长大［12］，通常对于离异共析转变， 需要更多的碳原子的扩散． 从奥氏体化温度冷却过程 中，这两种转变逐渐完成，而在冷却过程中到底以哪种 转变方式出现，主要取决于渗碳体颗粒间距、奥氏体化 温度、保温时间和冷却速率，较低的冷却速率有利于离 异共析转变［6，13］． 图 9 珠光体转变和离异共析转变( DET) 示意图 Fig． 9 Pearlite transformation and divorced eutectoid transformation diagram 4 结论 ( 1) 在冷却速率为 20 ℃·h － 1 时，随奥氏体化温度 从 760 ℃升高到800 ℃，组织转变由开始的离异共析转 变主导过渡到偏向于珠光体转变; 渗碳体球化率及组 织硬度随冷却速率的递增分别呈现倒 V 形和 V 形变 化趋势． ·1147·
·1148 工程科学学报，第37卷，第9期 (2)利用Image一Pro Plus软件统计出不同球化退 一重技术，2002(4)：34) 火条件下渗碳体球化率变化，从而可以对球化退火工 4]Verhoeven J D,Gibson E D.The divorced eutectoid transforma- 艺进行定量的评估. tion in steel.Metall Mater Trans A,1998,29(4)1181 5] Atasoy E,Ozbilen S.Pearlite spheroidization.J Mater Sci, (3)不同奥氏体化温度和冷却速率下球化退火处 1989,24(1):281 理后的40Cr钢球化组织中，奥氏体化温度为760℃， [6]Tian Y L,Kraft R W.Mechanisms of pearlite spheroidization. 冷却速率为20℃h时球化组织最佳；与传统球化工 Metall Mater Tran A,1987,18(8):1403 艺相比，有效缩短了球化退火时间，可节约大量能源. Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation (4)40Cr钢的球化退火过程中，离异共析转变和 in the spheroidization of 52100 steel.Metall Mater Trans A, 2000,31(10):2431 珠光体转变逐渐完成.离异共析转变得到的是球状珠 [8]Zhang W Y.Ostwald repening of spherical carbide during isother- 光体组织，珠光体转变得到的是片层珠光体组织.控 mal spheroidizing.Mater Sci Technol,1993,1(4):44 制好球化过程中奥氏体化温度、冷却速率及保温时间 (章为夷.等温球化处理过程中球状碳化物的Ostwald长大现 可以促使组织向球状珠光体组织转变 象.材料科学与工艺，1993,1(4)：44) Zhu G,Zheng G.Directly spheroidizing during hot deformation in 参考文献 GCr15 steels.Front Mater Sci,2008,2(1):72 [1]Hui WJ.Weng YQ,Dong H.High Strength Fastener Steel.Bei- [0]0'Brien J M.Hosford W F.Spheroidization cyeles for medium jing:Metallurgical Industry Press,2009 carbon steels.Metall Mater Trans A,2002,33(4):1255 (惠卫军，翁宇庆，董瀚.高强度紧固件用钢.北京：治金工 [11]Luzginova N V,Zhao L,Sietsma J.The cementite spheroidiza- 业出版社，2009) tion process in high-carbon steels with different chromium con- 2]0'Brien J M.Hosford W F.Spheroidization cycles of medium tents.Metall Mater Trans A,2008,39(3):513 carbon steels.J Mater Eng Perform,1997,6(1):69 02] Chattopadhyay S,Sellars C M.Quantitative measurements of 3]Li F.Liu ZD,Wang D Y,et al.A study of rapid spheroidization pearlite spheroidization.Metallography,1977,10(1):89 process for 40Cr steel.CFHI Technol,2002(4):34 [13]Tian Y L,Kraft R W.Kinetics of pearlite spheroidizations.Met- (李峰，刘占东，王德宇，等.40Cr快速球化退火工艺研究 all Mater Trans A.1987.18(8):1359
工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 ( 2) 利用 Image--Pro Plus 软件统计出不同球化退 火条件下渗碳体球化率变化，从而可以对球化退火工 艺进行定量的评估． ( 3) 不同奥氏体化温度和冷却速率下球化退火处 理后的 40Cr 钢球化组织中，奥氏体化温度为 760 ℃， 冷却速率为 20 ℃·h － 1 时球化组织最佳; 与传统球化工 艺相比，有效缩短了球化退火时间，可节约大量能源． ( 4) 40Cr 钢的球化退火过程中，离异共析转变和 珠光体转变逐渐完成． 离异共析转变得到的是球状珠 光体组织，珠光体转变得到的是片层珠光体组织． 控 制好球化过程中奥氏体化温度、冷却速率及保温时间 可以促使组织向球状珠光体组织转变． 参 考 文 献 ［1］ Hui W J，Weng Y Q，Dong H． High Strength Fastener Steel． Beijing: Metallurgical Industry Press，2009 ( 惠卫军，翁宇庆，董瀚． 高强度紧固件用钢． 北京: 冶金工 业出版社，2009) ［2］ O’Brien J M，Hosford W F． Spheroidization cycles of medium carbon steels． J Mater Eng Perform，1997，6( 1) : 69 ［3］ Li F，Liu Z D，Wang D Y，et al． A study of rapid spheroidization process for 40Cr steel． CFHI Technol，2002( 4) : 34 ( 李峰，刘占东，王德宇，等． 40Cr 快速球化退火工艺研究． 一重技术，2002( 4) : 34) ［4］ Verhoeven J D，Gibson E D． The divorced eutectoid transformation in steel． Metall Mater Trans A，1998，29( 4) : 1181 ［5］ Atasoy E，zbilen S． Pearlite spheroidization． J Mater Sci， 1989，24( 1) : 281 ［6］ Tian Y L，Kraft Ｒ W． Mechanisms of pearlite spheroidization． Metall Mater Tran A，1987，18( 8) : 1403 ［7］ Verhoeven J D． The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel． Metall Mater Trans A， 2000，31( 10) : 2431 ［8］ Zhang W Y． Ostwald repening of spherical carbide during isothermal spheroidizing． Mater Sci Technol，1993，1( 4) : 44 ( 章为夷． 等温球化处理过程中球状碳化物的 Ostwald 长大现 象． 材料科学与工艺，1993，1( 4) : 44) ［9］ Zhu G，Zheng G． Directly spheroidizing during hot deformation in GCr15 steels． Front Mater Sci，2008，2( 1) : 72 ［10］ O’Brien J M，Hosford W F． Spheroidization cycles for medium carbon steels． Metall Mater Trans A，2002，33( 4) : 1255 ［11］ Luzginova N V，Zhao L，Sietsma J． The cementite spheroidization process in high-carbon steels with different chromium contents． Metall Mater Trans A，2008，39( 3) : 513 ［12］ Chattopadhyay S，Sellars C M． Quantitative measurements of pearlite spheroidization． Metallography，1977，10( 1) : 89 ［13］ Tian Y L，Kraft Ｒ W． Kinetics of pearlite spheroidizations． Metall Mater Trans A，1987，18( 8) : 1359 ·1148·