张国文等：A1对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 ·209· 变钢中碳及合金元素的配比已成为研发高性能模具 加量.虽然对A1在钢中作用的研究已经有多年，但 用钢的主要手段[】.A1作为一种较为廉价的合金 对A!在中碳中合金钢中作用的研究较少，尤其是 元素，已经被广泛的添加到各类钢中3-]，并取得了 A1对淬回火处理中碳化物演变规律的影响极为少 不错的成果.A在钢中的作用可大致归纳如下： 见，本文通过向H11钢中添加质量分数为0.77%的 (1)稳定铁素体相.A1是铁素体形成元素，会扩大 A!来研究其对H11钢淬回火组织性能及碳化物演 铁素体及铁素体-奥氏体相区，实际生产中更容易 变的影响. 得到铁素体相，这也是含铁素体钢中加A!的目 1实验材料及方法 的[).(2)增加残余奥氏体量.A!会促进奥氏体化 过程中碳化物的溶解，TRP钢就是利用此原理使得 试验钢是由浙江某特钢厂经电渣重熔生产的球 基体元素固溶量增加，从而在后续淬火中得到更多 化退火态锻制钢坯，退火态组织形貌如图1所示 残余奥氏体的).(3)抑制共晶碳化物的析出及改 表1为两种试验钢的化学成分，除Al含量不同外， 善珠光体形态分布.高碳钢中添加A!后可使锻造 两种试验钢的其他元素含量基本一致，故将A!含量 过程中网状分布的共晶碳化物数量明显减少]，这 不同的试验钢记为0Al钢和0.77A1钢.根据不同 是因为A!是非碳化物形成元素，会阻碍锻造过程中 含A1钢的相变特性2)]制定如图2的热处理工艺， 碳化物的形成.A1通过增加珠光体转变的驱动力和 然后测试其力学性能.淬火处理在真空炉中，奥氏 转变速率从而减小片层间距，由此达到细化珠光体 体化30min后油冷，然后在箱式电阻炉中回火2次， 组织的效果[】.(4)细化晶粒.A会和钢中的0形 每次2h.根据NADCA#207-90标准，将热处理后材 成AL2O3,同时也可以和N形成AN分布于晶界，达 料除去氧化皮并加工成7mm×10mm×55mm无缺 到抑制晶粒长大的作用.Palizdar等)的研究表明 口试样，在BDS-500Y型冲击试验机上进行冲击试 Al可以细化低氨TRIP钢的晶粒，5 CrMoV中Al质 验.碳化物萃取所用试样为中10mm×100mm型圆 量分数从0.01%增加到0.8%时，马氏体板条宽度 柱，热处理方式同上.将热处理后的金相试样磨制、 由262nm减小到200nm,这说明Al的加入会增加 抛光后采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀， 马氏体板条的边界，细化马氏体板条[o).但A1在 借助Zeiss Supra-40型高分辨扫描电子显微镜 钢中的添加有时也会导致晶粒变的粗大，Bo心和 (SEM)对不同状态试验钢的组织形貌及冲击断口 Gof[)研究了Al对无取向硅钢的影响后发现，随 进行观察，采用Oxford能谱仪(EDS)对不同状态试 着A1含量的增加晶粒也会随之长大.因此，当为了 验钢的元素分布情况进行面扫描采集，采集时间均 细化晶粒而在钢中添加Al时，要严格控制A的添 为150s 图1试验钢退火显微组织.(a)0A:(b)0.77Al Fig.1 Annealed microstructure of tested steels:(a)0Al;(b)0.77Al 表1试验钢化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of tested steels % 钢号 Mn Cr Mo P Fe 0A1 0.390 0.286 0.738 5.03 1.50 0.592 0.008 ≤0.020 ≤0.005 余量 0.77A1 0.380 0.389 0.780 4.90 1.46 0.592 0.766张国文等: Al 对淬回火 H11 钢力学性能和碳化物的影响 变钢中碳及合金元素的配比已成为研发高性能模具 用钢的主要手段[2] . Al 作为一种较为廉价的合金 元素,已经被广泛的添加到各类钢中[3鄄鄄5] ,并取得了 不错的成果. Al 在钢中的作用可大致归纳如下: (1)稳定铁素体相. Al 是铁素体形成元素,会扩大 铁素体及铁素体鄄鄄 奥氏体相区,实际生产中更容易 得到铁素体相,这也是含铁素体钢中加 Al 的目 的[5] . (2)增加残余奥氏体量. Al 会促进奥氏体化 过程中碳化物的溶解,TRIP 钢就是利用此原理使得 基体元素固溶量增加,从而在后续淬火中得到更多 残余奥氏体的[6] . (3)抑制共晶碳化物的析出及改 善珠光体形态分布. 高碳钢中添加 Al 后可使锻造 过程中网状分布的共晶碳化物数量明显减少[7] ,这 是因为 Al 是非碳化物形成元素,会阻碍锻造过程中 碳化物的形成. Al 通过增加珠光体转变的驱动力和 转变速率从而减小片层间距,由此达到细化珠光体 组织的效果[8] . (4)细化晶粒. Al 会和钢中的 O 形 成 Al 2O3 ,同时也可以和 N 形成 AlN 分布于晶界,达 到抑制晶粒长大的作用. Palizdar 等[9] 的研究表明 Al 可以细化低氮 TRIP 钢的晶粒,5CrMoV 中 Al 质 量分数从 0郾 01% 增加到 0郾 8% 时,马氏体板条宽度 由 262 nm 减小到 200 nm,这说明 Al 的加入会增加 马氏体板条的边界,细化马氏体板条[10] . 但 Al 在 钢中的添加有时也会导致晶粒变的粗大,Boc 和 Grof [11]研究了 Al 对无取向硅钢的影响后发现,随 着 Al 含量的增加晶粒也会随之长大. 因此,当为了 细化晶粒而在钢中添加 Al 时,要严格控制 Al 的添 加量. 虽然对 Al 在钢中作用的研究已经有多年,但 对 Al 在中碳中合金钢中作用的研究较少,尤其是 Al 对淬回火处理中碳化物演变规律的影响极为少 见,本文通过向 H11 钢中添加质量分数为 0郾 77% 的 Al 来研究其对 H11 钢淬回火组织性能及碳化物演 变的影响. 1 实验材料及方法 试验钢是由浙江某特钢厂经电渣重熔生产的球 化退火态锻制钢坯,退火态组织形貌如图 1 所示. 表 1 为两种试验钢的化学成分,除 Al 含量不同外, 两种试验钢的其他元素含量基本一致,故将 Al 含量 不同的试验钢记为 0Al 钢和 0郾 77Al 钢. 根据不同 含 Al 钢的相变特性[12] 制定如图 2 的热处理工艺, 然后测试其力学性能. 淬火处理在真空炉中,奥氏 体化 30 min 后油冷,然后在箱式电阻炉中回火 2 次, 每次 2 h. 根据 NADCA#207鄄鄄90 标准,将热处理后材 料除去氧化皮并加工成 7 mm 伊 10 mm 伊 55 mm 无缺 口试样,在 JBDS鄄鄄500Y 型冲击试验机上进行冲击试 验. 碳化物萃取所用试样为 准10 mm 伊 100 mm 型圆 柱,热处理方式同上. 将热处理后的金相试样磨制、 抛光后采用体积分数为 4% 的硝酸酒精溶液腐蚀, 借助 Zeiss Supra鄄鄄 40 型 高 分 辨 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)对不同状态试验钢的组织形貌及冲击断口 进行观察,采用 Oxford 能谱仪(EDS)对不同状态试 验钢的元素分布情况进行面扫描采集,采集时间均 为 150 s. 图 1 试验钢退火显微组织 郾 (a) 0Al; (b) 0郾 77Al Fig. 1 Annealed microstructure of tested steels: (a) 0Al; (b) 0郾 77Al 表 1 试验钢化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of tested steels % 钢号 C Si Mn Cr Mo V Al P S Fe 0Al 0郾 390 0郾 286 0郾 738 5郾 03 1郾 50 0郾 592 0郾 008 臆0郾 020 臆0郾 005 余量 0郾 77Al 0郾 380 0郾 389 0郾 780 4郾 90 1郾 46 0郾 592 0郾 766 ·209·