钒添加钢的WIQ晶粒细化技术

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高频淬火可以提高工件的表面硬度并对工件表面附加残余压缩应力，从而提高工件的耐磨性和疲劳强度，因此被广泛用于齿轮、轴承、曲轴等机械部件的制造。其中的超快速短时间加热淬火（SRIQ&#174…

高频淬火可以提高工件的表面硬度并对工件表面附加残余压缩应力，从而提高工件的耐磨性和疲劳强度，因此被广泛用于齿轮、轴承、曲轴等机械部件的制造。其中的超快速短时间加热淬火（SRIQ®）处理工件的硬化层浅，残余压缩应力大，可显著提高工件的转动弯曲疲劳强度。但是，由于SRIQ®的加热时间很短，因此SRIQ®处理工件的特性受处理前组织的影响很大。为解决这个问题，研究者提出了在线常规高频淬火后进行SRIQ的“WIQ®”处理方法（两级高频淬火）。

WIQ®处理方法具有对工件附加高残余压缩应力的SRIQ的特点，同时可保证硬化层下的硬度，并且还不易受处理前组织的影响。

研究者对添加提高抗回火软化性Si的中碳钢Fe-0.55%C-0.85%Si试样进行WIQ处理，并对处理材试样进行动力循环式齿轮疲劳试验。试验结果表明，WIQ处理的高Si中碳钢的疲劳强度高于气体渗碳的SCM420合金钢。

为进一步提高WIQ处理钢的疲劳特性，考察了V对晶粒大小的影响。试验用钢是0.50%C-0.85%Si钢（基体钢）和在基体钢基础上添加0.30%V的V添加钢。图1是WIQ处理后的基体钢和V添加钢的光学显微镜照片。图中显示出钢的原始奥氏体晶粒，并标明原始奥氏体晶粒度。基体钢的原始奥氏体晶粒度约为10级（平均晶粒直径11μm），V添加钢的原始奥氏体晶粒度约为14.5级（平均晶粒直径小于2.3μm）。

图2是WIQ处理的热履历模式图和V添加钢的萃取复型TEM照片。利用Thermo-Calc软件计算出的V碳氮化物固溶温度为980℃。图2中的一级淬火温度超过V碳氮化物固溶温度，所以可知，在高频淬火前钢中存在未固溶的V碳氮化物。原因是，Thermo-Calc软件的计算条件是平衡状态，而高频淬火是短时间加热，钢处于非平衡状态。一级淬火后的未固溶的V碳氮化物尺寸约为10-50nm。经DES鉴定，这些V碳氮化物基本上是V的碳化物。对二级淬火后的V碳氮化物也进行了观察。虽然在萃取复型TEM照片上不能观察到V碳氮化物，但用其他方法进行的二级淬火前预热后急冷试验表明，预热温度大于450℃时，淬火后的回火中会产生回火二次硬化。这种现象说明，在450℃以上温度进行预热，有微细的V碳化物进一步析出。

未预热条件下进行WIQ处理的V添加钢的光学显微镜照片显示出原始奥氏体晶粒。这种处理的V添加钢的奥氏体晶粒大部分是微细晶粒，但有部分粗大奥氏体晶粒，因此是混晶组织。原因是一级淬火后的未固溶V碳氮化物比较粗大并且分布不均匀，所以钉扎效果不均匀。对工件进行适当温度下的预热，使V碳化物微细析出，获得强力的钉扎效果，抑制二级淬火加热时的晶粒粗大化，对于获得图1所示的微细奥氏体组织十分重要。在二级淬火前未进行预热的情况下，二级加热时发生逆转变时，会生成与一级淬火后的原始奥氏体晶粒取向相同的奥氏体晶粒（奥氏体记忆现象）以及逆转变核心在原始奥氏体晶界优先生成。而在二级淬火前进行预热时，原始奥氏体晶界和晶内析出的渗碳体都是逆转变核心的生核位置，因此原始奥氏体晶粒被细化。

一般来说，晶粒细化可以提高钢的疲劳强度、冲击韧性等各项力学性能。本研究的“钢材成分+WIQ处理的最佳化”技术将会进一步实现齿轮的高强度化。

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