高压热处理对35CrMo钢组织与硬度的影响

本文对35CrMo钢进行高压热处理后再进行高温回火，并探讨了经该工艺处理后35CrMo钢的组织及硬度。35CrMo钢具有较高的强度、韧性及稳定可靠的服役性能等特点，因而被用于制造各种大中型机器设备中的重要零件^[1-4]，如齿轮、曲轴、轴类及紧固件等构件，是目前应用最为广泛的中碳合金钢之一。随着我国各类型设备国产化率的提高，对35CrMo钢的使用性能也提出更高的要求，因此探讨一种提高35CrMo钢力学性能的热处理工艺具有一定的实际意义。据文献报道[5]，高压热处理能增大碳钢内的位错密度，使其获得细小的马氏体组织。通常35CrMo钢经调质后使用，若将高压热处理结合高温回火处理，有望细化35CrMo钢调质后的组织，同时使铁素体基体上析出的颗粒渗碳体分布更加弥散，从而提高其综合力学性能，满足一些新应用领域的技术要求。

1 试验材料与方法

试验材料为35CrMo钢锻棒，其化学成分如表1所示。将35CrMo钢锻棒加工成尺寸为φ8 mm×10 mm的试样，采用CS-ⅡB型六面顶压机进行压力3 GPa、860℃保温20 min的高压热处理，断电保压冷却至室温，冷却速率约100℃·s-1，然后再将高压热处理试样分别进行450、500、550、600、650℃回火60 min。为了进行对比，对原始试样进行传统调质处理，即用KL-12D型箱式电阻炉进行860℃保温20 min的淬火处理，淬火介质为水，然后再进行与高压热处理试样相同工艺的回火处理。试样经过磨制、抛光后，用体积分数4%的硝酸酒精溶液腐蚀显示其显微组织，通过4 g苦味酸+100 mL水+4 g洗涤剂溶液腐蚀显示其原奥氏体晶粒。采用Axiovert200MAT型光学显微镜、Jeol-2010透射电镜和S-4800型扫描电镜对试样进行显微组织观察与分析，并借助HR-150洛氏硬度计测试试样的硬度，取3次测试结果的平均值。

表1 35Cr Mo钢的化学成分（质量分数，%）
Table 1 Chemical composition of the 35Cr Mo steel（mass fraction，%）

2 结果与分析

2.1 显微组织

图1为不同状态下35CrMo钢的显微组织。由图1可知，未处理35CrMo钢试样的组织为块状的珠光体和铁素体，经860℃保温20 min的淬火后组织主要为针状和板条状马氏体，在3 GPa压力下经860℃保温20 min的高压热处理后组织较细小，结合高压热处理试样的硬度值（62 HRC），可断定高压热处理试样组织中存在马氏体。经TEM观察（见图2）发现，淬火处理和高压热处理后试样的组织主要为板条马氏体，相比之下，高压热处理试样的组织较致密，马氏体板条细小，且板条束取向较紊乱。由光学显微镜观察可见，450～650℃高温回火后高压热处理和淬火处理试样的组织区别不明显，结合硬度的测试结果，可断定淬火处理和高压热处理后试样在450℃回火时均为回火屈氏体，温度高于550℃回火，均有回火索氏体生成，见图3。通过SEM观察（见图4）发现，高压热处理试样回火后组织中析出的碳化物细小，分布更加均匀弥散。为了弄清高压热处理后35CrMo钢中马氏体细小的原因，对淬火处理和高压热处理后再经550℃回火处理试样中的原奥氏体晶粒（见图5）进行观察发现，经高压热处理试样中的原奥氏体晶粒小于淬火处理试样中的原奥氏体晶粒。

图1 不同热处理状态下35CrMo钢的显微组织
Fig.1 Microstructure of the 35CrMo steel at different heat treatment states

图2 不同热处理状态下35CrMo钢的TEM照片Fig.2 TEM images of the 35CrMo steel at different heat treatment states

图3 淬火处理（a，c）和高压处理（b，d）的试样经不同温度回火后的显微组织
Fig.3 Microstructure of the quenched（a，c）and high pressure treated（b，d）specimens tempered at different temperatures

图4 淬火处理（a）和高压处理（b）的试样经550℃回火后的SEM图片
Fig.4 SEM images of the quenched（a）and high pressure treated（b）specimens tempered at 550℃

图5 淬火处理（a）和高压处理（b）的试样经550℃回火后的原奥氏体晶粒
Fig.5 Prior austenite grain of the quenched（a）and high pressure treated（b）specimens tempered at 550℃

这是由于高压能增大35CrMo钢试样内的位错密度，这为相变形核提供更多的部位，从而增大了新相的形核点，同时高压力能降低原子的扩散速度，抑制了晶核长大[6-7]，致使在高压力作用下所形成的奥氏体晶粒尺寸较小，最终导致在冷却过程中形成了细小的马氏体组织。对于回火组织来说，因为经高压热处理后碳钢试样组织内保留高密度位错等缺陷[8]，同时晶界密度较高，在随后的回火处理过程中，这些高密度的缺陷和晶界为碳化物的析出提供更多的位置，从而造成回火后析出的碳化物颗粒数量较多，颗粒尺寸细小，分布更加均匀弥散。

2.2 硬度

高压热处理和淬火处理35CrMo钢试样的硬度分别为62 HRC和55 HRC，经450～650℃回火60min后的硬度如图6所示。由图6可知，两种处理工艺试样的硬度均随回火温度的升高而减小，变化趋势一致，但高压热处理试样经回火后的硬度高于传统调质处理的硬度。由测试结果可知，经550℃保温60 min回火后，高压热处理试样的硬度为45 HRC，较传统调质处理的硬度（42 HRC）提高了7.14%。经分析认为，随着回火温度的升高，析出细小弥散的碳化物颗粒逐渐聚集长大[9]，减弱了弥散强化作用，从而导致试样的硬度随回火温度的升高而减小。高压热处理能提高试样的回火硬度，主要原因是高压热处理能细化35CrMo钢晶粒，同时能使回火后析出的颗粒碳化物分布更加均匀弥散，此外，高压能增大材料的致密性，这些均有利于提高材料的力学性能。

图6 淬火处理和高压处理的试样经不同温度回火后的硬度
Fig.6 Hardness of the quenched and high pressure treated specimens tempered at different temperatures

3 结论

1）35CrMo钢经高压热处理后可获得细小的马氏体，再经高温回火后，析出的颗粒状碳化物分布较传统调质后的均匀弥散，有效地提高了35CrMo钢的硬度。

2）在回火温度450～650℃范围内，35CrMo钢经高压热处理和回火后的硬度随回火温度的升高而降低。

3）35CrMo钢经3 GPa压力、860℃保温20 min高压热处理+550℃保温60 min回火后的硬度为45 HRC，较同工艺传统调质处理试样的硬度提高了7.14%。

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