馬氏體不銹鋼的亞溫淬火
2025-04-27 15:14:36
作者：阿斯米 來源：阿斯米
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9Cr18 型馬氏體不銹鋼被廣泛用于制造各種結構復雜的零部件。本文中提到的針閥是閥體產品中的重要零件，其結構復雜、尺寸配合精度高、服役環境條件較差及技術要求嚴格，因而對針閥的熱處理提出了較高要求。在產品的試制中，零件的沖擊韌性aκ值偏低，廢品率達40%，嚴重制約了產品研制進度和質量，成為生產中的瓶頸。 亞溫淬火是指淬火溫度比常規低50～60 ℃，低于Ac3的加熱溫度( Ac3為γ 相向α 相轉變開始溫度線) ，既可保證淬后硬度均勻一致，又可減少綜合應力，避免開裂。亞溫淬火的目的是讓奧氏體在轉變為馬氏體時引起的體積膨脹應力作用于鐵素體上，由于鐵素體強度低，塑性好，能吸收部分淬火應力，同時細化奧氏體晶粒，降低熱應力。 設計圖樣對針閥的熱處理提出以下要求: 硬度51～55 HRC，同時保證沖擊韌性aκ＞5kg·m/cm2 。對于鋼件來說，硬度值越高，沖擊韌性值越小。從設計參數可以看出，其技術要求非常之嚴，因此加大了針閥熱處理加工難度。必須通過調整熱處理工藝來改善性能，大幅提高其使用壽命和沖擊韌性值。 零件針閥采用TL1068A 型高溫箱式電阻爐加熱，爐內溫度至900 ℃時入爐，升到1050 ℃，保溫時間18 min，淬火介質為常溫機械油，入油轉移時間5 s。淬火前針閥后尾部內腔用耐火棉填充，其目的是減少內腔在高溫加熱中產生氧化皮現象。 低溫回火采用低溫干燥箱，加熱溫度160 ℃，保溫2 h，空冷?；鼗饡r采用專用不銹鋼胎具將產品均勻碼放。 冷處理采用深冷箱，冷處理溫度為－196 ℃，保溫2h，自然回升到室溫。 采用RJ2-36-6 節能型井式回火爐，加熱溫度450 ℃，保溫2 h，空冷。 眾所周知，鋼的熱處理原理是加熱溫度越高，奧氏體化越充分，奧氏體晶粒越粗大，增加了淬后熱應力和組織應力，容易使有內孔零件綜合應力超過材料應力極限而開裂。由于9Cr18 型馬氏體不銹鋼屬于高鉻馬氏體鋼，采取較高的預熱溫度升到淬火加熱溫度，造成了奧氏體晶粒較粗大，增加了熱應力和組織應力，使碳化物繼續在晶界處沉淀，弱化了晶界，同時回火溫度過高，沿晶界處析出彌散度很高的碳化物而出現了貧鉻區，不可避免地產生回火脆性，降低沖擊韌性值。9Cr18 型馬氏體不銹鋼淬火后金相組織如圖1(a) 所示，其初生碳化物含量少，尺寸相差較大; 圖1(b) 是其韌窩斷口形貌，出現少量分散的沿晶界斷裂; 從圖1(c) 可以看出，材料的晶粒大小均勻。 9Cr18 型馬氏體不銹鋼由于含有大量的合金元素Cr，大大降低了該類鋼共析點的含碳量，因此9Cr18 鋼可以認為是過共析鋼。9Cr18 型馬氏體不銹鋼是一種特殊的耐腐蝕性鋼，具有較好的淬透性、較高的耐腐蝕性和抗回火穩定性。對于鋼件來講，硬度值要求越高，沖擊韌性值越低，但設計要求與鋼件原理恰恰相反，即要高硬度又要高沖擊韌性。針對該產品針閥的設計要求，在確保淬回火后硬度值和一定耐腐蝕性，不產生淬裂，提高沖擊韌性值的前提下，采用亞溫淬火法能解決沖擊韌性合格率偏低的難題。 試驗所用鋼9Cr18 的化學成分為( 質量分數) : C0.90%～1.00%; Si≤0.8%; Mn≤0.8%; S≤0.030%;P≤0.035%; Cr 17%～19%。臨界溫度Ac1為850 ℃。 為滿足技術要求，選用與產品相同的9Cr18 鋼作為試驗材料，加工尺寸如圖2所示。 采用TL1068 型高溫箱式電阻爐加熱，為了減少氧化，同時細化晶粒組織，經850 ℃入爐保溫15min后，迅速轉入1000℃高溫爐中保溫18min，然后迅速浸入機械油中冷卻至室溫( 油溫≤ 60 ℃) ; 清洗后經低溫160 ℃回火保溫2 h，空冷至室溫; 再進行冷處理，-196 ℃保溫2 h 后回升至室溫; 最后經低溫300 ℃回火保溫2 h 后空冷。熱處理工藝如圖3所示。 為了保證試樣的準確性，以減少含碳量不均勻造成的影響，試樣取樣部位選取同一批號，同一爐次的材料的中段。試樣采用磨床磨削表面，粗糙度為Ra 0.8。合理布置硬度測試點，如圖4。 試驗采用降低淬火溫度，以期獲得初生碳化物含量較多、晶粒尺寸相差不大、韌窩形貌完好的組織。所謂亞溫淬火是指在Ac1～Acm之間的雙相溫度區淬火。本試驗之所以選用比正常淬火溫度低50～60℃的淬火溫度，其主要目的是使奧氏體轉變不完全，在組織中保留少量細小晶粒的殘余鐵素體均勻分布在奧氏體晶界上。在淬火過程中，使奧氏體轉變為馬氏體引起的體積膨脹應力作用于鐵素體上，使淬火應力部分得到吸收，起到細化奧氏體晶粒和降低熱應力的作用，以及降低淬火綜合應力，避免淬火過程中產生細微裂紋。同時降低回火溫度，防止晶界處析出彌散度很高的碳化物而出現貧鉻區。 用HT300 型洛氏硬度計測試試樣淬火后表面硬度平均值為57.3 HRC，回火后硬度平均值為52.7HRC。結果見表1、表2。采用ZBC-300C 型沖擊試驗機進行測量，采用GB /T229-2007 標準。結果見表1、表2。 亞溫淬火試樣的顯微組織如圖5所示。圖5(a) 是9Cr18 馬氏體不銹鋼亞溫淬火后的金相組織，其初生碳化物含量多，尺寸相差不大; 圖5(b) 是其韌窩斷口形貌，韌窩形貌完好; 從圖5(c) 可以看出，材料的晶粒大小均勻。亞溫淬火后的組織為馬氏體+少量鐵素體，回火后硬度為53 HRC 左右，金相組織為回火馬氏體。 采用亞溫淬火工藝，所有針閥產品均達到技術要求，為本企業解決了生產加工中的瓶頸，取得了一定經濟效益。(1) 亞溫淬火可以使奧氏體轉變不完全，在組織中保留少量的殘余鐵素體，并使晶粒細小的鐵素體均勻分布在奧氏體晶界上。(2) 降低回火溫度能防止回火脆性產生，可以獲得較好的綜合力學性能。與常規工藝相比較，在硬度相同條件下，具有較高的沖擊韌性值。(3) 采用亞溫淬火法成功解決了沖擊韌性值合格率偏低的難題，滿足了設計要求并通過產品驗證。(4) 針對9Cr18 鋼的特性，采用預熱處理降低淬火溫度及低溫回火的工藝試驗，取得了較為明顯的技術經濟效果，在確保淬回火后硬度值和一定耐腐蝕性的前提下，不產生淬裂，提高了沖擊韌性值，節約了能耗。
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