张超等：等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 ·1503· transformation completion time of bainite significantly reduce;in addition,the bainitic ferrite plates are more coarsened,the volume fraction of retained austenite increases,and the hardness decreases.Moreover,when the ultrafine bainitic steel is subjected to the two- body abrasion test,the wear surface is mainly featured by furrows and grooves,and the predominant wear mechanism is micro-cutting. Furthermore,the wear resistance of ultrafine bainite post austempering at different temperatures is better than that of tempered martens- ite;this wear resistance increases with decreasing isothermal temperatures.Ultrafine baintic steel post austempering at 250C possesses the best wear resistance,and the relative wear resistance is 1.28 times higher than that of tempered martensitic steel;this is attributed to the refined microstructure and the transformation induced plasticity (TRIP)effect of ultrafine bainitic steel. KEY WORDS ultrafine bainitic steel;phase transformation kinetic;retained austenite;wear resistance;TRIP effect 超细贝氏体起源于剑桥大学开发的超细结构的 无碳化物贝氏体钢.2002年，Bhadeshia教授等)将 1试验材料与方法 高碳高硅低合金钢在低温下长时间等温，得到一种 试验用钢的化学成分（质量分数，%）为Fe- 由贝氏体铁素体板条和薄膜状残留奥氏体组成的双 0.7C-2.47Si-1.18Mn-0.87A-0.0075P-0.01S,高 相组织，其强度达2.3GPa,硬度超过HV600,韧性 含量的Si及A!的添加能够有效抑制碳化物的析 约为30~40MPam2[2-).超细贝氏体钢优异的综 出，从而在等温淬火过程中获得无碳化物贝氏体组 合力学性能引起了学术界及企业的广泛关注，目前 织.铸锭经锻造后在1200℃均匀化退火24h,以保 各领域都聚焦于超细贝氏体钢的工业化应用. 证试样整体成分均匀.采用线切割的方法切取尺寸 贝氏体钢因兼具较高强度和良好韧性，有望取 为4mm×10mm的圆柱试样，将其分成两组，分别 代传统的马氏体耐磨钢和高锰钢，应用于轴承、齿进行等温淬火处理及淬火回火处理，并比较其磨损 轮、刹车片及采矿系统等.近些年来，研究学者就超 性能.通过DL8O5A膨胀仪测得试验钢的Ms点为 细贝氏体在干磨损[s-)、滚动磨损[0-1]、滚动接触疲 190℃，选定等温淬火温度分别为350、300及250 劳[]、磨料磨损[)等方面的应用展开广泛研究. ℃，以确保能够获得完全的贝氏体组织，热处理工艺 2008年，Wang等)首次研究超细贝氏体钢的干滑 曲线如图1所示.淬火回火工艺为950℃保温10 动磨损特性，将9SiCr钢在200℃等温获得超细结构 min后直接淬火至室温，随后于300℃进行回火处 组织，研究结果表明，表面摩擦引起的应力诱发残留 理，回火时间与300℃等温淬火时间相同. 奥氏体相变，使其耐磨性能优于回火马氏体钢.随 后，张福成等[s-6,16]对超细贝氏体钢在重型齿轮及 950℃ 10 min Ac 高C-Cr轴承方面的应用进行研究，他们指出超细 贝氏体钢中，薄膜状残留奥氏体能够有效阻碍裂纹 20℃.g1 的扩展，残留奥氏体的TRIP效应及纳米结构的贝 350℃ 氏体铁素体显著提高表面的硬度，提高其耐磨性 300℃ 10℃·g1 能[].Leiro等-)研究了不同等温淬火温度下，获 250℃ 得的超细贝氏体在干滚动滑动下的磨损状况，结果 20℃·s冷至室温 表明随等温温度降低，残留奥氏体含量减少，贝氏体 含量增加，相同磨损圈数下磨损量减少.Solano--Al- 时间/s varez等研究了超细珠光体、超细贝氏体和马氏 图1热处理工艺示意图 Fig.I Schematic diagram of heat treatment process 体在三体磨损下的耐磨性能及其磨损机理，结果表 明超细贝氏体耐磨性优于马氏体.然而，目前关于 试样经磨制、机械抛光后，采用体积分数为3%~ 超细贝氏体钢在二体磨损中的应用及磨损机理研究 4%的硝酸乙醇溶液对金相试样进行腐蚀，通过 较少，需要更为具体的研究. ZEISS AXI0光学显微镜(OM)及ZEISS ULTRA55 在传统高碳超细贝氏体钢的基础上，本文通过 型热场发射扫描电镜观察不同等温温度下的组织形 降低合金元素含量，设计一种中碳低合金超细贝氏 貌：采用DMAX-RB型I2kW旋转阳极X射线衍射 体钢，研究该试验钢在不同等温温度下的相变规律 仪进行组织分析，选择面心立方(fcc)的{200}、 及磨损机理，分析不同等温温度对超细贝氏体钢耐 {220}、{311}衍射峰的积分强度以及体心立方 磨性能的影响. (bcc)的{200}、{211}衍射峰的积分强度，用直接比张 超等: 等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 transformation completion time of bainite significantly reduce; in addition, the bainitic ferrite plates are more coarsened, the volume fraction of retained austenite increases, and the hardness decreases. Moreover, when the ultrafine bainitic steel is subjected to the two鄄 body abrasion test, the wear surface is mainly featured by furrows and grooves, and the predominant wear mechanism is micro鄄cutting. Furthermore, the wear resistance of ultrafine bainite post austempering at different temperatures is better than that of tempered martens鄄 ite; this wear resistance increases with decreasing isothermal temperatures. Ultrafine baintic steel post austempering at 250 益 possesses the best wear resistance, and the relative wear resistance is 1郾 28 times higher than that of tempered martensitic steel; this is attributed to the refined microstructure and the transformation induced plasticity (TRIP) effect of ultrafine bainitic steel. KEY WORDS ultrafine bainitic steel; phase transformation kinetic; retained austenite; wear resistance; TRIP effect 超细贝氏体起源于剑桥大学开发的超细结构的 无碳化物贝氏体钢. 2002 年,Bhadeshia 教授等[1]将 高碳高硅低合金钢在低温下长时间等温,得到一种 由贝氏体铁素体板条和薄膜状残留奥氏体组成的双 相组织,其强度达 2郾 3 GPa,硬度超过 HV 600,韧性 约为 30 ~ 40 MPa·m 1 / 2[2鄄鄄4] . 超细贝氏体钢优异的综 合力学性能引起了学术界及企业的广泛关注,目前 各领域都聚焦于超细贝氏体钢的工业化应用. 贝氏体钢因兼具较高强度和良好韧性,有望取 代传统的马氏体耐磨钢和高锰钢,应用于轴承、齿 轮、刹车片及采矿系统等. 近些年来,研究学者就超 细贝氏体在干磨损[5鄄鄄9] 、滚动磨损[10鄄鄄13] 、滚动接触疲 劳[14] 、磨料磨损[15] 等方面的应用展开广泛研究. 2008 年,Wang 等[7] 首次研究超细贝氏体钢的干滑 动磨损特性,将 9SiCr 钢在 200 益等温获得超细结构 组织,研究结果表明,表面摩擦引起的应力诱发残留 奥氏体相变,使其耐磨性能优于回火马氏体钢. 随 后,张福成等[5鄄鄄6,16] 对超细贝氏体钢在重型齿轮及 高 C鄄鄄Cr 轴承方面的应用进行研究,他们指出超细 贝氏体钢中,薄膜状残留奥氏体能够有效阻碍裂纹 的扩展,残留奥氏体的 TRIP 效应及纳米结构的贝 氏体铁素体显著提高表面的硬度,提高其耐磨性 能[9] . Leiro 等[11鄄鄄13]研究了不同等温淬火温度下,获 得的超细贝氏体在干滚动滑动下的磨损状况,结果 表明随等温温度降低,残留奥氏体含量减少,贝氏体 含量增加,相同磨损圈数下磨损量减少. Solano鄄Al鄄 varez 等[14]研究了超细珠光体、超细贝氏体和马氏 体在三体磨损下的耐磨性能及其磨损机理,结果表 明超细贝氏体耐磨性优于马氏体. 然而,目前关于 超细贝氏体钢在二体磨损中的应用及磨损机理研究 较少,需要更为具体的研究. 在传统高碳超细贝氏体钢的基础上,本文通过 降低合金元素含量,设计一种中碳低合金超细贝氏 体钢,研究该试验钢在不同等温温度下的相变规律 及磨损机理,分析不同等温温度对超细贝氏体钢耐 磨性能的影响. 1 试验材料与方法 试验用钢的化学成分( 质量分数,% ) 为 Fe鄄鄄 0郾 7C鄄鄄2郾 47Si鄄鄄 1郾 18Mn鄄鄄 0郾 87Al鄄鄄 0郾 0075P鄄鄄 0郾 01S,高 含量的 Si 及 Al 的添加能够有效抑制碳化物的析 出,从而在等温淬火过程中获得无碳化物贝氏体组 织. 铸锭经锻造后在 1200 益 均匀化退火 24 h,以保 证试样整体成分均匀. 采用线切割的方法切取尺寸 为 准4 mm 伊 10 mm 的圆柱试样,将其分成两组,分别 进行等温淬火处理及淬火回火处理,并比较其磨损 性能. 通过 DIL805A 膨胀仪测得试验钢的 Ms 点为 190 益 ,选定等温淬火温度分别为 350、300 及 250 益 ,以确保能够获得完全的贝氏体组织,热处理工艺 曲线如图 1 所示. 淬火回火工艺为 950 益 保温 10 min 后直接淬火至室温,随后于 300 益 进行回火处 理,回火时间与 300 益等温淬火时间相同. 图 1 热处理工艺示意图 Fig. 1 Schematic diagram of heat treatment process 试样经磨制、机械抛光后,采用体积分数为 3% ~ 4% 的硝酸乙醇溶液对金相试样进行腐蚀,通过 ZEISS AX10 光学显微镜(OM) 及 ZEISS ULTRA55 型热场发射扫描电镜观察不同等温温度下的组织形 貌;采用 DMAX鄄鄄RB 型 12 kW 旋转阳极 X 射线衍射 仪进行组织分析,选择面心立方( fcc) 的{200}、 {220}、{311} 衍射峰的积分 强 度 以 及 体 心 立 方 (bcc)的{200}、{211}衍射峰的积分强度,用直接比 ·1503·