熱處理對不銹鋼組織和性能的影響
2024-07-01 15:44:45
作者： 阿斯米 來源： 阿斯米
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目前，家用刀具的主要材料有碳鋼、彈簧鋼和馬氏體不銹鋼等。3Cr13 和4Cr13 馬氏體不銹鋼是廣泛使用的切削材料，這兩種不銹鋼的優點是耐蝕性好，但耐磨性差，使其鋒利性保持時間短。這就要求開發具有成本效益的馬氏體不銹鋼材料。在此基礎上，試驗了馬氏體不銹鋼合理的熱處理工藝體系。 為了開發高性價比的刀具材料，可采用微合金化結合優化熱處理的方法開發具有更高性價比的新型刀具材料。因此，本文主要是對含V、Ti 的40Cr13鋼進行熱處理試驗，通過對鋼的組織和性能分析，確定試驗鋼的最佳熱處理工藝，最終為40Cr13VTi 不銹鋼刀具的熱處理生產提供工藝參考。 40Cr13VTi 鋼的化學成分( 質量分數，%) 為0.38C、1.5Si、0. 8Mn、13Cr、0.2Ti、0.2V、0.6Ni。采用25 kg 的真空感應熔煉爐進行熔煉。鑄錠隨后鍛成Φ47mm×1000 mm 的長棒試樣供試驗使用。鍛后的長棒先進行球化退火，試樣隨爐升溫至800℃保溫30min 后，繼續升溫至860℃保溫90min，再隨爐緩慢冷卻至750℃保溫90min，再以25～30 ℃/h 的冷卻速度降至550℃，最后出爐空冷，退火工藝路線如圖1( a) 所示。試驗鋼在1030℃保溫30 min 后進行油冷，最后分別在250、300、350、400 ℃進行兩次回火試驗，其工藝路線如圖1( b) 所示。 將熱處理后的試樣磨制并拋光后，采用質量分數為19.7% 的FeCl3腐蝕劑進行腐蝕，利用光學顯微鏡(OM) 、掃描電鏡(SEM) 和能譜儀對試樣進行組織觀察及EDS 分析; 室溫拉伸試驗按GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1 部分: 室溫試驗方法》在萬能試驗機上進行，選用d0=5 mm 的Ｒ7 棒狀試樣，取3 個平行試樣進行測試; 沖擊試驗采用“V”型缺口試樣，試樣尺寸為10 mm ×10 mm ×55 mm，缺口深度2 mm，試驗在沖擊試驗機上按GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，取3 個平行試樣進行測試。 試驗鋼淬火后的顯微組織如圖2 所示，可以看出，馬氏體板條束呈現平行排列，并存在大量尺寸為1～2 μm沿鐵素體晶界分布的顆粒物，根據圖2 的顯微組織和EDS 能譜分析結果，判斷其為Cr 系碳化物。該類碳化物一般認定為( Fe，Cr)23C6。由于淬火馬氏體的C、Cr 含量較高，大大增加了晶格正方度，導致其性能極不穩定。 4Cr13 鋼為中碳高合金鋼，大量的合金元素提高了鋼的回火抗力，使淬火馬氏體分解溫度提高，在較高溫度回火時仍能保持原馬氏體形貌8］。圖3 為試驗鋼不同溫度回火后的OM 照片，可見在較高溫度回火時仍為回火馬氏體。在較低溫度回火時，只有碳、氮原子可以近程擴散發生化學偏聚，形成過飽和碳化物，回火溫度稍微升高，部分過飽和碳化物中的碳析出形成少量合金滲碳體。從圖3( a～d) 可以看出，低溫回火時，馬氏體基體析出碳化物較少，呈彌散分布，回火溫度升高，碳化物析出逐漸增多，形狀逐漸由顆粒狀轉變為片狀，與原馬氏體板條方向一致且多集中在馬氏體邊界。 由于試驗的回火溫度未到達使馬氏體大量分解的溫度，因此馬氏體板條束形貌都比較明顯。在300℃以上回火時，碳化物大量析出。 由圖4 可以看到，在較低溫度回火時，碳化物的析出相對較少，隨著回火溫度的升高，基體內開始析出大量碳化物，并發生長大。此外，V、Ti 元素的加入能有效減少晶界上二次碳化物的析出，使得在光學顯微鏡下晶粒的輪廓較為模糊，在掃描電鏡上也能看到碳化物的數量較淬火態明顯減少。2. 2 夾雜物與不規則碳化物 通過掃描電鏡觀察發現，在淬火態試驗鋼中存在較多夾雜物，包括MnS 夾雜、Al2O3夾雜物等，如圖5(a) 所示。在熔煉過程中，先形成尺寸約為4μm 短棒狀的MnS夾雜，Cr系碳化物將依附其生長析出。圖5( b) 顯示了在基體中存在的Al2O3夾雜物，形貌為圓球狀，尺寸約為1.2 μm，TiC 碳化物以其為核心生長析出，形成一種典型的“核殼”結構，其尺寸約為4.5 μm。此類夾雜物的存在極大地影響了試驗鋼的沖擊性能。 此外，在基體中還存在較多的( Ti，V) C 復相碳化物，其形貌為短棒狀和多邊形，尺寸大多在1～10 μm之間，如圖6 所示。2.3 力學性能 圖7為不同溫度回火后試驗鋼的拉伸性能。由圖7可知，隨著回火溫度的升高，抗拉強度先降低再逐漸升高，在300℃回火過程中抗拉強度最低，為1705MPa; 屈服強度與抗拉強度有著類似規律，隨著回火溫度升高到300 ℃呈現最低值，再隨著回火溫度的升高基本均呈上升趨勢。 從圖7 可以看到，40Cr13VTi 鋼的斷后伸長率隨著回火溫度的升高先略微降低再升高。 由圖8可以看到，隨著回火溫度的升高，沖擊性能先升高再降低，沖擊吸收能量在5.2～6.8 J 之間，在350℃回火時出現最高值，為6.8 J，在400℃回火時出現最低值，為5.2 J。在250℃ 以上回火時，40Cr13VTi 鋼具有較好的沖擊性能。 圖9 為40Cr13VTi 鋼不同溫度回火后的硬度。試驗鋼的硬度隨著回火溫度的升高，先升高再降低，最后再升高，在400℃回火后具有最高硬度，為51.6HRC。1) 40Cr13VTi 鋼1030℃油淬再經兩次回火后，馬氏體板條形貌基本被保留，未發生明顯分解。低溫回火時，馬氏體基體碳化物析出較少，呈彌散顆粒狀分布，回火溫度升高，基體內開始析出大量碳化物，并發生長大。2) 隨著回火溫度的升高，試驗鋼抗拉強度與屈服強度均先降低再升高，在300℃回火時抗拉強度和屈服強度均降低到最低值; 沖擊吸收能量隨著回火溫度的升高先升高再降低，主要是由于隨著回火溫度的升高，析出的碳化物數量增加，其尺寸也有所增大; 隨著回火溫度的升高，40Cr13VTi 鋼的硬度先升高再降低最后又升高，在350℃回火時出現最低硬度，400℃回火時由于發生二次硬化，硬度又升高。3) 當回火溫度為350℃時， 40Cr13VTi 馬氏體不銹鋼的綜合力學性能最佳，屈服強度為1360 MPa，抗拉強度為1717MPa，沖擊吸收能量為6.8 J，硬度為43.1 HＲC。
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