35MnVN40MnVTi非调质钢温锻后的组织及耐磨性研究.docx
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35MnVN40MnVTi非调质钢温锻后的组织及耐磨性研究
35MnVN、40MnVTi非调质钢温锻后的组织及耐磨性研究
金庆生（重庆汽车研究所,重庆 400039
摘要:
研究了35MnVN、40MnVTi非调质钢和45、40Cr调质钢经650℃温锻后的显微组织及耐磨性,分析了磨痕形貌。
结果表明,在90kg负荷下的滑动摩擦磨损特性试验中,35MnVN钢的耐磨性与40Cr钢相当,40MnVTi钢稍差,45钢最次。
关键词:
35MnVN、40MnVTi非调质钢;温锻;耐磨损性中图分类号:
TG115124 文献标识码:
A 文章编号:
025426051（20060320040205
MicrostructureandWearResistanceof35MnVN,40MiMicroalloyed
EngineeringSteelsAfterWiJINQing2sheng（ChongqingAutomobileIChina
Abstract:
Themicrostructureandwearresistanceofm40MnVTisteelwereinvestigatedincomparisonwithsteels45,40Cr,worn2outappearancewereanalyzed.Theresultsshowthatthewearafterwarmforgingarehigherthanthatofthe40MnVTisteel,the45steelhasthel.
Keywords:
35MnVN,40MnVTimicroalloyedengineeringsteel;warmforging;wearresistance.
作者简介:
金庆生（1965—,男,河南南阳人,高级工程师,硕士,主要从事汽车材料的应用研究工作和汽车零部件的检验工作。
联系电话:
023*********收稿日期:
2005206209
非调质钢是指在中碳钢中添加微量的强碳化物形
成元素V、Nb、Ti等,热加工后控制冷却到室温,利用碳（氮化物的析出强化,使其达到中碳钢调质后的强度水平,从而省去调质处理工序。
它不仅节省能源,缩短生产周期,还可避免淬火畸变及开裂,提高产品质量,具有重要的技术和经济意义。
温锻产品一般都表现出良好的冲击韧性,非调质钢经温锻成形后,可弥补与调质钢在冲击韧性和塑性上的差距,进一步拓宽非调质钢的应用范围。
磨损失效是机械零件失效的主要形式之一,直接关系到机器能否保持精度和使用寿命,非调质钢经温锻后能否达到调质钢温锻后所具有的耐磨性,是非调质钢在温锻领域替代调质钢所需解决的课题之一
[1-2]
。
1 试验材料与方法
111 试样制备
试验材料为热锻用微合金非调质钢35MnVN和
40MnVTi,调质钢40Cr和45钢,其主要化学成分见表1。
非调质钢用10t工业电炉冶炼,出厂时轧成<60mm的棒料,试验前热锻成25mm×25mm的方棒,锻后单件空冷。
45钢和40Cr钢分别由<55mm和<45mm的棒料改锻成25mm×25mm的方棒,锻后单件空冷,然后再进行调质处理,在箱式炉中加热,调质工艺分别为:
40Cr钢,860℃油淬+600℃回火;45钢,850℃盐水淬+600℃回火。
4种试验材料的温锻温度均选择在650℃开始,在
自由锻打过程中,由于锻打造成的温升,试棒温度逐步上升,最高可达到750℃左右,最后因变形量的减少,温度再逐渐下降,终锻时温度在600℃左右。
锻造过程中锻件温度的测定采用接触式光电测温仪进行,锻料横截面收缩比为36%,试验所用环块磨损试样尺寸为12135mm×12135mm×19mm。
表1 试验钢的化学成分（质量分数,%
Table1 Chemicalcompositionofteststeels（wt%钢种
C
Mn
Si
S
P
Cr
V
Ti
N
35MnVN01341145
01400101501004
—0109—0109
40MnVTi0141111501300101001027—01120102—45014501684013020103001016————40Cr
01390125012501025010220189———
112 组织观察
金相试样用4%的硝酸酒精溶液侵蚀,在Leitz光学显微镜下观察组织,同时摄取金相照片。
用线切割方法在试样表层取015mm的薄片,用砂纸将其减薄到011mm左右,制成<3mm的圆片试样。
在CE210型双
喷电解减薄仪上进行双喷电解减薄,电解液为10%高氯酸+10%甘油+80%酒精混合溶液,最后在
H2800透射电镜上观察制成的薄晶体试样的组织。
113 摩擦磨损试验
各种材料的摩擦磨损试验均在MHK2500型环块
磨损试验机上进行,试验过程中用N32机油润滑,滴速为40d/min,转速为600r/min,线速度为11546m/s,磨痕宽度用DM读数显微镜测量,每条磨痕测量3次,取其平均值为试验磨痕的宽度,然后根据下式换算成磨损体积。
V=π2180arcsin2R-2
2
-2
2
式中:
V—磨损体积;L—磨痕长度（通常等于磨环宽
度;R—对磨环半径;b—平均磨痕宽度。
滑动磨损试验变化参数为时间。
对磨环为淬火GCr15钢标准试样,硬度58~62HRC。
2 试验结果与分析
211 显微组织分析
35MnVN和40MnVTi非调质钢温锻前的热锻态组织皆为块状铁素体+珠光体。
其中35MnVN钢因其碳含量较低,铁素体数量相对较多。
40MnVTi钢中的铁素体不仅数量相对较少,布。
体+珠光体,但它们已沿加工方向呈明显的条带状分布。
在垂直锻件拔长方向的横截面上,也有条带分布倾向。
从图1a所示的40MnVTi钢温锻后的低倍组织照片上,可以看到有条带沿塑性变形方向分布,由此可见珠光体和铁素体实际上是呈层带状的。
图1b、c分别是35MnVN和40MnVTi钢的温锻组织。
两种调质钢的温锻组织中也出现了珠光体区域,显然和温锻时发生的相变有关,其铁素体区域也是呈条带状相间分布。
图2是45钢和40Cr,调质钢45、,其中40Cr
条带状,且珠光体的形态主要是（图略。
图1 35MnVN、
40MnVTi钢的温锻组织的光学显微照片
（a40MnVTisteel（横向×100 （b40MnVTisteel（横向×600 （c35MnVNsteel（纵向×600
Fig.1 Opticalmicrographsof35MnVN,40MnVTisteelafterwarmforged
（a,b40MnVTisteel（transverse （c35MnVNsteel（longitudinal
图2 45钢（a和40Cr钢（b温锻后的
显微组织（纵向×600
Fig.2 Opticalmicrographsof45steel（aand40Crsteel（binlongitudinalafterwarmforged
4种试验材料经温锻后,显微组织显著细化,但其细化程度有差别。
温锻是一个动态再结晶过程,形变与再结晶过程交替进行使组织细化。
由于动态再结晶过程中形核率大,又不可能发生晶粒的迅速长大,而且停锻温度为600℃左右,也不太可能发生停锻后的静态再结晶过程,所以最终获得的组织非常细小。
4种钢细化程度不同的原因在于:
非调质钢中的沉淀相粒子在温锻过程中不会发生溶解,可以成为位错积聚的
地方（Orowan机制,为再结晶提供较多的形核处,而且还可以阻碍动态再结晶过程中的晶粒长大。
40Cr钢组织最细小的原因则是由于钢中存在大量较弥散的粒状合金渗碳体,一方面在温锻前的回火索氏体组织,其粒状渗碳体的分布就有这种优势,且稳定性较强,在温锻发生奥氏体化过程中,也不一定会都溶解;另一方面溶于铁素体中的Cr也会影响再结晶过程。
而45钢
既无40Cr钢的这些特点,又无非调质钢的沉淀相粒子,因此其组织细化程度较差。
另外,由于调质钢铁素体中没有沉淀相粒子对再结晶晶粒界面的钉扎,因此调质钢温锻组织中的铁素体晶粒的纤维化程度明显增大
[3]
。
从图3a透射电镜照片上可以看到,40Cr钢中的铁素体基体上分布着许多大颗粒碳化物,有的周围还存在着位错缠结;图3b在珠光体区域存在着多种形态的渗碳体,有温锻过程中继续长大的渗碳体颗粒,还有在奥氏体→珠光体转变中产生的不规则细薄片渗碳体和温锻过程中析出的细小渗碳体颗粒。
40MnVTi非调质钢经温锻后,其珠光体中的渗碳体大体上仍呈片状,同时还存在许多颗粒状渗碳体。
这主要是因为珠光体转变为奥氏体后,由于温度较低,过热度较小,其残余渗碳体不可能在短时间内完全溶解而保留下来;另一方面温锻后期的奥氏体向珠光体转变过程仍处于锻打状态,锻件仍在变形,打的影响而球化。
在图4a氮,这和已知的微合金碳（氮。
在温锻过程中产生的大量位错,虽然由于回复和再结晶而大部分消失,但在接近停锻温度时,由于温度较低,且受到第二相颗粒的钉扎作用,有的晶粒内部仍保留了位错网络和位错塞积,见图4b,c[4]
。
图3 40Cr钢温锻后组织的横向（a和纵向（b透射电镜照片 ×20000
Fig.3 TEMmicrographsof40Crsteelafterwarmforgedin
transverse（aandlongitudinal（b ×
20000
图4 40MnVTi钢温锻后析出相的分布和残留的位错塞积纵向（a,b,×50000和横向（c,×60000的透射电镜照片
Fig.4 TEMmicrographsof40MnVTisteelstructureafterwarmforged
（a,blongitudinal ×50000 （ctransverse ×60000
212 滑动磨损试验结果与分析
本试验在90kg砝码负荷下对非调质钢35MnVN、
40MnVTi和调质钢45、40Cr分别进行了30、60、90、120、150min的环块滑动磨损试验,每一磨损时间分别磨3次,取3条磨痕的平均宽度代入公式计算出相应的磨损体积,试验数据见表2。
从表2可以看出,随着磨损时间的延长,4种材料的磨损量都增大,但调质钢与非调质钢磨损量随时间的变化规律有明显差别。
磨合阶段,4种材料磨损量增长很快,30min后,非调质钢的磨损量增长开始变得缓慢,材料逐渐进入一个稳定的磨损阶段,此时两种非调质钢的磨损率大体相当,但35MnVN钢的磨损量低于40MnVTi钢的,120min以后,两种非调质钢的磨损率开始迅速增加,其中35MnVN钢更为突出。
而两种调质钢在30min以后,始终处于一种稳定的磨损状态,并且两者的磨损率也大体相当,明显大于稳定磨损阶段非调质钢的磨损率,45钢的磨损量始终较大,40Cr钢的磨损量则同非调质
钢35MnVN大体相当。
表2 两类钢不同磨损时间下的磨损体积/×10-3mm
3
Table2 Wearvolumeofteststeelsunderdifferentweartime
钢种
30min60min90min120min150min35MnVN401095118251182571628117040MnVTi471965819063133671638311045441416214978116841529213040Cr
33171
41104
52112
65103
71194
材料的磨损率随时间发生很大的变化同很多因素有关,其中最主要的包括材料表面油膜的形成、氧化膜的生成、材料表面粗糙度的变化和基体硬度的变化等。
在材料表面刚开始相对运动时,由于润滑油膜尚未完
全建立,不足以有效地把两个摩擦面完全隔开,阻止摩擦面上显微凸起端部穿过油膜相互接触,因此仍有少量相互接触的微凸体发生摩擦,由于它们接触面上的单位面积压力很大,从而使磨损表面的微凸体受到剧烈的破坏,表现为跑合期材料的磨损率很高。
随着磨损时间的延长,材料磨损表面逐渐平滑起来,两个摩擦表面间的油膜也相应地逐渐建立起来,并且厚度不断增大,使微凸体相互隔开,直接接触的微凸体比例不断下降,最终达到一个稳定的磨损状态。
如果没有其它因素的作用,磨损材料将处于一种稳定的磨损状态,随着磨损时间的延长,材料的磨损率逐渐减小,并最终达
到一个稳定的数值[5]
。
图5是35Mn
VN和40Mn和150min后的表面形貌。
从图5a,b中可见两种材料的磨损机制都主要是犁沟,其中35MnVN钢磨损表面上的犁沟较浅,见图5a,而40MnVTi钢的犁沟则比较深,见图5b,并且与机加工痕迹相交而出现断续,这与非调质钢40MnVTi的磨损量较大是一致的。
图5c,d非调质钢的磨损机制随着时间的延长并无根本性的改变,仍然主要是犁沟,在150min时还伴随着明显的塑性压延,其中非调质钢40MnVTi钢在150min时还有一定程度的剥层发生。
150min磨损时间较长,此,因此两,表现为长,塑性和韧性稍差的非调质钢VTi钢则伴随着一定程度的剥层发生。
图5 35MnVN和40MnVTi钢温锻后磨损30min（a,b和150min（c,d的表面形貌
Fig.5 Surfaceappearanceof35MnVNand40MnVTi
steelswearfor30min（a,band150min（c,dafterwarmforged
（a35MnVNsteel （b40MnVTisteel （c35MnVNsteel （d40MnVTisteel
图6是45、40Cr钢的磨损60min和120min后的表面形貌。
从图中可以看出磨损均以微切削为主,这
显然与两种调质钢磨损表面已有了较多的加工硬化有关。
其中45钢的磨损表面比较疏松,见图6a、b;40Cr
钢的磨损表面则比较细密,见图6c、d,表现为45钢的磨损量比40Cr钢的大得多,这是因为40Cr钢的韧性
远超过45钢,并且40Cr钢的塑性也稍高于45钢,使得40Cr钢磨损表面由于加工硬化造成的脆化倾向远
图6 45、40Cr钢磨损60min和120min表面形貌
Fig.6 Surfaceappearanceof45,40Crsteelsafterwearfor60minand120min
（a45steel,60min （b45steel,120min （c40Crsteel,60min （d40Crsteel,120min
低于45钢。
随着磨损时间的延长,45、40Cr钢塑性变形逐渐增加,变形积累程度加大,由塑性变形引起的剥层机制的比重逐渐增加,同时仍伴有一定程度的微切削。
由于此时剥层并不严重,材料仍属于正常磨损状态,结果磨损率反而出现下降趋势。
这同非调质钢在同样时间范围内由于塑性压延而出现的磨损率增大趋势刚好相反。
总之,非调质钢在稳定磨损阶段以犁沟机制为主,而调质钢以微切削机制为主,因此它们的磨损率明显不同,调质钢的磨损率明显大于非调质钢,随着磨损时间的延长,调质钢由于磨损表面塑性变形的积累,剥层机制的比重加大,同时还伴有少量的微切削,
状态,
于磨损表面在150min,表现为磨损率的明显增大。
非调质钢与调质钢磨损机制的不同与它们的组织状态有着密切的关系。
随着磨损时间的延长,非调质钢由于其铁素体中弥散分布的微合金碳化物,使得次表层铁素体中的位错均匀分布。
一方面使非调质钢铁素体中的微孔洞不易产生,剥层机制很难发生;另一方面使非调质钢的表面加工硬化不如调质钢那样严重,表现出良好的塑性,因此其稳定磨损阶段的磨损机制主要是犁沟,磨损率较低。
而调质钢由于其铁素体中大颗粒碳化物的作用,使位错很快在这些地方塞积,表层加工硬化严重,表现为稳定磨损阶段的磨损机制以微切削为主。
随着磨损时间的进一步延长,塑性变形的积累逐步加大,从而易在这些大颗粒碳化物处产生微孔洞,进而发展为剥层,由于这些碳化物的数量不多,剥层机制的发展并不严重,表现出的磨损率反而下降。
另外,四种试验材料中的珠光体硬度较高,对温锻组织的耐磨性有着重要的贡献。
3 结论
（1非调质钢35MnVN、40MnVTi和调质钢45、40Cr经650℃温锻后,金相组织为呈条带状相间分布的铁素体+珠光体,显微组织都得到了显著的细化。
（2在90kg,四种试35MnVN和调质,稍差,调质钢45最
（3非调质钢温锻态在本试验的磨损条件下,其磨损机制主要是犁沟,只是在长时间（150min的磨损条件下,其磨损表面塑性变形层的重叠与压延才非常严重。
调质钢温锻态的磨损机制主要是微切削,在长时间（120min的磨损条件下,转为微切削加剥层。
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22224.
材料热处理工程师、见习材料热处理工程师资格考试认证程序
11考试报名:
申请参加资格考试的单位和个人,可从热处理学会网站http:
//www1chts1org1cn下载考试报名表,经申请人仔细填写后交回热处理学会,也可由学会授权的培训机构集中后上报热处理学会。
21培训:
资格考试前,由热处理学会授权的培训机构按学会指定的考试大纲和培训教材（考试指导书的要求进行培训。
申报者可根据自己的实际情况,自愿选择是否参加培训。
31考试:
根据热处理学会的通知,在规定时间到指定地点接受资格考试。
见习材料热处理工程师资格考试只进行笔试,材料热处理工程师资格考试采用笔试和一定比例的面试（面试作为一种辅助考试形式,目前只进行一定比例的抽查。
热处理学会每年6月和12月进行两次集中考试（具体日期提前一个月在学会网站http:
//www1chts1org1cn公布。
考试合格由热处理学会颁发合格证书。
41申请认证:
认证见习材料热处理工程师者可直接向热处理学会申请。
认证材料热处理工程师者,可向中国机械工程学会各地资格认证分中心（联系方式可查阅http:
//www1cmes1org申请认证,正确填写资格认证申请表,并提交“材料热处理工程师资格认证考试实施细则”（见2006年第4期中所要求的有关材料。
认证单位将负责对申报者所填写的表格及所提供相关材料的真实性进行认真审核。
51评定:
热处理学会、机械工程学会技术资格认证中心将组织专家委员会对申请人的申报表、相关证件及材料、考核成绩等,进行全面、认真地审核和评定,并提出是否同意授予该申请人相应资格的结论性意见。
61发证:
由中国机械工程学会向获得资格认证申请人颁发资格证书。
（中国机械工程学会热处理分会资格认证
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