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(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。本文中提到的針閥是閥體產(chǎn)品中的重要零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸配合精度高、服役環(huán)境條件較差及技術(shù)要求嚴(yán)格，因而對(duì)針閥的熱處理提出了較高要求。在產(chǎn)品的試制中，零件的沖擊韌性aκ值偏低，廢品率達(dá)40%，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品研制進(jìn)度和質(zhì)量，成為生產(chǎn)中的瓶頸。 亞溫淬火是指淬火溫度比常規(guī)低50～60 ℃，低于Ac3的加熱溫度( Ac3為γ 相向α 相轉(zhuǎn)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(yīng)力，避免開裂。亞溫淬火的目的是讓奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)引起的體積膨脹應(yīng)力作用于鐵素體上，由于鐵素體強(qiáng)度低，塑性好，能吸收部分淬火應(yīng)力，同時(shí)細(xì)化奧氏體晶粒，降低熱應(yīng)力。 設(shè)計(jì)圖樣對(duì)針閥的熱處理提出以下要求: 硬度51～55 HRC，同時(shí)保證沖擊韌性aκ＞5kg·m/cm2 。對(duì)于鋼件來說，硬度值越高，沖擊韌性值越小。從設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，其技術(shù)要求非常之嚴(yán)，因此加大了針閥熱處理加工難度。必須通過調(diào)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(nèi)溫度至900 ℃時(shí)入爐，升到1050 ℃，保溫時(shí)間18 min，淬火介質(zhì)為常溫機(jī)械油，入油轉(zhuǎn)移時(shí)間5 s。淬火前針閥后尾部內(nèi)腔用耐火棉填充，其目的是減少內(nèi)腔在高溫加熱中產(chǎn)生氧化皮現(xiàn)象。 低溫回火采用低溫干燥箱，加熱溫度160 ℃，保溫2 h，空冷。回火時(shí)采用專用不銹鋼胎具將產(chǎn)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(jié)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(yīng)力和組織應(yīng)力，容易使有內(nèi)孔零件綜合應(yīng)力超過材料應(yīng)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(yù)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(yīng)力和組織應(yīng)力，使碳化物繼續(xù)在晶界處沉淀，弱化了晶界，同時(shí)回火溫度過高，沿晶界處析出彌散度很高的碳化物而出現(xiàn)了貧鉻區(qū)，不可避免地產(chǎn)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(xiàn)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(diǎn)的含碳量，因此9Cr18 鋼可以認(rèn)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(wěn)定性。對(duì)于鋼件來講，硬度值要求越高，沖擊韌性值越低，但設(shè)計(jì)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(duì)該產(chǎn)品針閥的設(shè)計(jì)要求，在確保淬回火后硬度值和一定耐腐蝕性，不產(chǎn)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(yàn)所用鋼9Cr18 的化學(xué)成分為( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)) : 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(shù)要求，選用與產(chǎn)品相同的9Cr18 鋼作為試驗(yàn)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(shí)細(xì)化晶粒組織，經(jīng)850 ℃入爐保溫15min后，迅速轉(zhuǎn)入1000℃高溫爐中保溫18min，然后迅速浸入機(jī)械油中冷卻至室溫( 油溫≤ 60 ℃) ; 清洗后經(jīng)低溫160 ℃回火保溫2 h，空冷至室溫; 再進(jìn)行冷處理，-196 ℃保溫2 h 后回升至室溫; 最后經(jīng)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(zhǔn)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(hào)，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(cè)試點(diǎn)，如圖4。 試驗(yàn)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(qū)淬火。本試驗(yàn)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(zhuǎn)變不完全，在組織中保留少量細(xì)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起的體積膨脹應(yīng)力作用于鐵素體上，使淬火應(yīng)力部分得到吸收，起到細(xì)化奧氏體晶粒和降低熱應(yīng)力的作用，以及降低淬火綜合應(yīng)力，避免淬火過程中產(chǎn)生細(xì)微裂紋。同時(shí)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(xiàn)貧鉻區(qū)。 用HT300 型洛氏硬度計(jì)測(cè)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(jié)果見表1、表2。采用ZBC-300C 型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，采用GB /T229-2007 標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)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(chǎn)品均達(dá)到技術(shù)要求，為本企業(yè)解決了生產(chǎn)加工中的瓶頸，取得了一定經(jīng)濟(jì)效益。(1) 亞溫淬火可以使奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，在組織中保留少量的殘余鐵素體，并使晶粒細(xì)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(chǎn)生，可以獲得較好的綜合力學(xué)性能。與常規(guī)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(shè)計(jì)要求并通過產(chǎn)品驗(yàn)證。(4) 針對(duì)9Cr18 鋼的特性，采用預(yù)熱處理降低淬火溫度及低溫回火的工藝試驗(yàn)，取得了較為明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生淬裂，提高了沖擊韌性值，節(jié)約了能耗。
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