强电场奥氏体化对低碳钢淬火组织的影响

强电场奥氏体化对低碳钢淬火组织的影响刘晓涛,崔建忠(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,辽宁沈阳　110004)摘要:研究了电场奥氏体化对低碳钢的淬火组织的影响。

在低碳钢奥氏体化过程中施加2kV /cm 的直流静电场,能增加奥氏体的稳定性,抑制随后冷却过程中奥氏体向珠光体的转变,从而造成冷却过程中CCT 曲线右移、提高低碳钢的淬透性。

关键词:电场;奥氏体化;淬透性;马氏体中图分类号:TG142.1 文献标识码:A 文章编号:0254-6051(2003)04-0028-03Effect of Austenization with an Electric Field on Microstructure ofa Low Carbon Steel After Q uenchingLI U Xiao -tao ,C UI Jian -zhong (The Key Laboratory of Electromag netic Processing of M aterials ,Ministry of Education ,Northeastern University ,Sheny ang Liaoning 110004,China )A bstract :In this paper the quenching microstructure of the low carbon steel in the austenization w ith the applica -tion of an electric field 20kV /cm betw een the specimen and a companion electrode of an electrostatic circuit is studied .The austenizing under the electric field can enhance the stability of the austenite and make the CCT curve move to the right .And the hardenability is im proved as a result of the austenite -pearlite phase transformation be -ing inhibited .Key words :electric field ;austenization ;hardenability ;martensite 作者简介:刘晓涛(1972.12—),男,辽宁辽阳人,博士生,讲师,主要从事材料电、磁场热处理的研究。

联系电话:024-********　E -mail :lx tandm @sina .com 收稿日期:2002-07-15 近几十年的研究表明,电场作为一种重要的冷物理场,影响材料的组织、性能及溶质原子的分布,使材料的正常性能发生微妙的变化或产生全新的材料性能。

施加电场能够加速原子的扩散及空位的迁移。

研究表明电场抑制铝和铜的回复与再结晶过程[1];改善材料的超塑性[2,3];降低铁烧结体中的空洞[4];延迟低碳钢的时效动力学,降低时效的峰值硬度[5,6]。

应用电技术进行金属加工与热处理正在受到广泛地重视。

本文将研究电场奥氏体化对低碳钢淬火组织、性能的影响,并对电场奥氏体化的机制进行探讨。

1　试验材料与方法 试验材料为含铜低碳钢,由澳大利亚BHP 公司提供,化学成分(质量分数,%)如表1所示。

首先冷左右),可以形成具有一定硬度梯度的硫化物层+渗氮层的复合表面层。

(2)复合渗硫处理形成的高硬度基体+软表层的表面结构,其耐磨性比只经过渗氮处理更好,明显地改善了材料的磨损特性,提高了耐磨性和抗咬合性能。

(3)等离子复合渗硫处理形成具有自润滑性能的FeS 层,可以显著降低材料的摩擦系数,其大小约为淬火+回火试样的1/3,改善了摩擦性能。

5　生产应用 本研究结果已经应用于上海汇众汽车有限公司汽车模具车间的生产中,对桑塔纳车的车付、车架模具,汽车后梁、桥架和发动机支架等模具进行了上述等离子复合处理,处理后的模具寿命明显改善,产品质量显著提高,有效地保证了正常生产,取得了很好的应用效果。

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表1　试验用钢的化学成分(质量分数,%)Ta ble 1　C hemical composition of the steel (wt %)C P M n S Cu Fe 0.0550.0130.180.0140.71Bal.图1　电场奥氏体化前低碳钢的金相组织Fig .1　M etallog raph of the low carbon steel speciman beforeheat treatment试样尺寸为40mm ×20mm ×0.75mm 。

电场奥氏体化过程中试样作为正极,不锈钢片作为负极,试样与极板距离为1cm 。

试样经表面预处理后,在图2所示的自制试验装置中进行热处理,其真空度为<10-1Pa 。

它包括强电场发生系统(由供电电源、稳压器、变压器及整流电流组成);工作台及负载部分(由试样及电极等组成);加热系统(由电阻炉、热电偶及控温装置);真空系统(由机械泵、扩散泵及炉胆等组成)和冷却系统。

处理工艺为“电场加热”,即在不同的电场强度下加热(奥氏化),然后立即水淬,奥氏体化温度为1373K ,电场强度分别为0(无电场)、1、2、3kV /cm 。

淬火后立即测试其维氏显微硬度,在XJG -50大型金相显微镜下观察其显微组织。

图2　强电场热处理的试验装置F ig .2　Experiment equipment with an electric field2　试验结果及讨论2.1　电场奥氏体化对淬火组织的影响图3为低碳钢在1373K 进行非电场与电场奥氏体化30min 后水淬所得到的显微组织。

不加电场(如图3b )奥氏体化后淬火得到的组织为板条马氏体及先共析铁素体相,电场(2kV ·cm -1)奥氏体化后淬火组织全部为板条马氏体(图3a )。

与非电场奥氏体化相比,电场奥氏体化抑制了随后连续冷却过程中奥氏体向珠光体的转变,降低了低碳钢的临界淬火速度,在相同的冷却条件下获得了较多的马氏体。

图4为试样在处理前及不同条件处理后的维氏显微硬度的变化。

电场奥氏体化提高了低碳钢的淬透性,淬火后获得了较多的马氏体,硬度较高。

图3　1373K 进行非电场与电场奥氏体化30min 后水淬的显微组织Fig .3　M icrog raph of austenitization 1373K fo r 30min withand without an electric field before quenching(a )E =2kVcm -1 (b )E =图4　电场与非电场奥氏体化后的硬度变化Fig .4　Hardness o f steel with and without an electric field钢的淬透性主要取决于钢的化学成分,特别是溶于奥氏体中的碳和合金元素的种类和含量,其次取决于奥氏体的均匀性和晶粒大小。

钢的相变硬化29《金属热处理》2003年第28卷第4期过程的关键在于奥氏体化过程中碳的重新分布[7]。

在电场作用下,试样与电源的正极相连,在试样的表面形成一层薄的正电荷层,一般认为空位带负电,表面电荷与空位相互作用,降低试样表面的电化学势而成为空位阱,在试样表面附近形成空位浓度梯度,导致空位由试样的内部沿晶界向表面定向迁移,形成一额外的空位流。

若溶质原子以空位复合体的机制进行扩散,即溶质原子+空位=复合体[8],电场加速空位向晶界和表面的定向迁移,加速溶质原子的扩散,加速了渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化过程,从而有利于晶核形成和长大的碳浓度不均匀区域减少,降低珠光体相变的形核率和长大率,因而推迟和减慢了奥氏体向珠光体相变的进行,提高马氏体的开始转变温度,降低钢的临界淬火速度[9],淬透性提高,CCT曲线右移。

2.2　电场奥氏体化提高淬透性的热力学解释电场奥氏体化促进奥氏体的形成及均匀化,奥氏体的稳定性增加,在随后的连续冷却过程中淬透性提高。

将电场奥氏体化过程中由于奥氏体稳定性增加而引起的母相的能量的降低记为ΔG E(ΔG E< 0),则电场作用下铁素体转变的临界形核半径r＊及临界形核功G＊为:r＊=2ΔG AΔG V+ΔG E-UG＊=16π3ΔG3A(ΔG V+ΔG E-U)2其中ΔG V是非电场作用下相变前后单位体积自由能变化的绝对值;ΔG A是形核时单位面积表面能的增加;U是由于相变时体积变化而产生的单位体积应变能。

由于ΔG E的引入,驱动力降低,r＊与G＊增大。

粒子越过能垒G＊的几率为exp(-G＊/R T),形核率N∝exp(-G＊/R T),而孕育期τ∝1/ N∝exp(G＊/R T),由于G＊增加,形核率N下降,孕育期延长,因此CCT曲线右移,淬透性提高。

3　结论 电场加速溶质原子的扩散,加速渗碳体的溶解,促进奥氏体的均匀化,使奥氏体的稳定性增加,铁素体转变的临界形核半径r＊及临界形核功G＊增加,抑制随后连续冷却过程中奥氏体向珠光体的转变,提高了马氏体的开始转变温度,在相同的冷却条件下获得了较多的马氏体,CCT曲线右移,淬透性提高。

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