42宝 钢 技 术2009年第1期

热处理工艺对Cr17含Ni马氏体不锈钢组织及性能的影响

张小可,陈锡民

(特殊钢分公司制造管理部,上海 200940)

摘要:通过对Cr17含Ni马氏体不锈钢热处理工艺试验,研究了不同的淬火和回火温度对Cr17含Ni马氏体不锈钢(低、高倍)组织和力学性能的影响。试验结果表明:经过淬火+高温回火处理后,材料晶粒明显细化,材料的综合力学性能得到最大提高。同时,在中温回火时,材料的强度和硬度有所提高,塑性和韧性略有降低,出现明显的中温回火脆性倾向。Cr17含Ni马氏体不锈钢的使用状态组织为索氏体,具有良好的耐蚀性能,又具有较高的强度和韧性配合。

关键词:马氏体;淬火温度;回火脆性

中图分类号:TG142.71 文献标志码:B 文章编号:1008-0716(2009)01-0042-04

EffectofHeatTreatmentonMicrostructureand

PropertyofCr17+NiMartensiticStainlessSteel

ZHANGXiaokeandCHENXimin

(ManufacturingManagementDepartment,SpecialSteelBranch,Shanghai200940,China) Abstract:Onthebasisofaseriesofheattreatmenttests,theeffectofdifferentquenchingandtemperingtemperaturesonthemacroandmicrostructuresandmechanicalpropertiesofCr17+Ni

martensiticstainlesssteelwasinvestigated.Thetestresultsindicatethatafterquenchingandhigh temperaturetempering,thematerial sgrainwillbeobviouslyfiner,anditscomprehensivemechani calpropertieswillbegreatlyimproved.Meanwhile,withthemedium temperingtreatmen,tthema terial sstrengthandhardnesswillbeenhanced,butitsplasticityandflexibilitywillbedecreasedabi,tanditalsohasanobviousmedium temperingembrittlementtrend.TheservicestatestructureofCr17+Nimartensiticstainlesssteelissorbitic,whichhasanexcellentanti corrosionperformanceandabettercombinationofstrengthandtoughness.

Keywords:martensite;quenchingtemperature;temperingembrittlement

改善,抛光性能、切削加工性能及冷冲压成形性能亦好

[1]

0 前言

Cr17含Ni马氏体不锈钢含有较高的C,可通过热处理工艺的调整,达到强度、硬度和韧性的提高,是一种综合力学性能较佳的钢种。该钢采用真空感应冶炼加电渣重熔而成,钢中非金属夹杂物低,纯洁度高。该钢具有良好的耐蚀性能,又具有较高的强度和韧性的配合,其横向比性能明显

张小可 助理工程师 1982年生 2007年毕业于武汉科技大学

现从事材料学专业 电话 26032496E mail xiaoke0707@http://

,适用于制造要求较高强度、韧性、塑性和

良好的耐蚀性的零部件及在潮湿介质中工作的承力件。因此,提高和改善该钢的力学性能将直接影响工件的机械性能和使用寿命

[2-3]

,热处理工

艺对该钢的正常使用起着非常重要的作用。为此,本文讨论了热处理工艺对Cr17含Ni马氏体不锈钢组织和性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

Ni

张小可等 热处理工艺对Cr17含Ni马氏体不锈钢组织及性能的影响

钢,炼钢采用真空感应+电渣重熔,锻造成材。化学成分见表1。

表1 试验材料的化学成分含量标准

Table1 Chemicalcompositionsofthetestedsteels%

wC0.10~0.35

wMn 1.0

wS

wP

wSi 1.0

wCr14.5~

18.5

wNi1.5~

3.5

43

0.025 0.030

1.2 试验方法

对锻制 110的成品进行以下3种方案的处理及测试分析。

(1)对锻造生产过程出现探伤超标的试样进

行低倍检验,再进行调质处理。然后,再做低倍检验和高倍分析。

(2)选取3组试样进行淬火处理,淬火温度为900~1100 ,冷却方式为油冷,试样编号分别为1、2和3。检验淬火后试样的硬度(HBW)、 相和晶粒度。

(3)选取8组试样进行淬火+回火处理,淬火温度900~1100

,分别从低温到高温进行回火,淬火冷却方式为油冷;回火冷却方式均为空冷。试样编号分别为4~11,检验回火后试样的室温拉伸性能、冲击韧性、硬度及显微组织。

#

#

#

#

#

有粗晶现象得到明显改善。

从图1和图2可以发现,经过调质热处理后试样晶粒明显细化。金属晶粒越细,晶界的总面

积越大,金属的强度越高;另一方面,细晶粒材料中的塑性变形分布比较均匀,减少了变形的大程度集中引起微观裂纹的危险,这样就使材料在断裂前能承受更多的塑性变形,达到提高材料塑性

[4]

的目的。

另外,对粗晶部分的试样进行了纵向取样测试。其纵、横向组织晶粒度见图3。由图3知,样品的纵、横截面的晶粒度都为3.0级左右,个别为1.0级。纵截面也发现有粗晶,与横截面相比晶粒略为粗大。因此可以认为粗晶不仅存在于该试

2 试验结果与分析讨论

2.1热处理工艺对低倍组织的影响

对Cr17含Ni马氏体不锈钢在锻造生产过程中出现探伤超标的棒材,规格为 110,然后取样进行低倍检验。对试样横低倍热酸酸蚀后,试样横截面均发现有严重的雪片状粗晶,见图1。

粗晶的出现将会对材料的组织及性能产生不利的影响,因此,拟通过热处理工艺试验消除。所以对具有粗晶的试样进行调质处理:淬火

+高温回火。然后对试样再作低倍检验,如图2所示,原

图3 粗晶处的显微组织图

Fig.3 Microstructureofthecoarsegrain

44

样的表面,而且存在于内部。

宝 钢 技 术2009年第1期

晶的棒材,经过高温加热处理,从而使其重新奥氏体化,淬火使其重新再结晶,所以晶粒得以细化。2.2 热处理工艺对高倍组织的影响2.2.1 淬火温度对高倍组织的影响

利用光学显微镜对方案(2)的3组试样进行分析,试样的金相显微组织及硬度见表2和图4。

观察表明,试样淬火后的组织由残余奥氏体

分析试验结果得到:造成成品棒材出现粗晶的原因,主要是钢锭在经过锻造开坯和成材过程

中均处于高温状态,锻出成品后,又直接进炉退火,使得成品棒材没有再结晶过程,退火缓冷保留了锻造状态的不均匀组织。所以对退火的棒材低倍检验,出现混晶和粗晶现象。因此对已出现粗

表2 Cr17含Ni马氏体不锈钢不同淬火温度时的显微组织组成和晶粒度及硬度

Table2 Themicrostructure,crystalgrainsizeandhardnessofCr17+Nimartensiticstainlesssteel

atdifferentquenchingtemperatures

试样编号

1#2#3

#

相/%

1未发现未发现

晶粒度/级

7.57.06.5

HBW438451477

图4 Cr17含Ni马氏体不锈钢不同淬火温度时的显微组织图

Fig.4 MicrostructureofCr17+Nimartensiticstainlesssteelatdifferentquenchingtemperatures

和马氏体组成,1淬火组织中还存在少量的铁素

体。随着奥氏体化温度的升高,奥氏体晶粒也逐渐长大,如表2所示。3试样的硬度最高,为

#

HBW477,1试样的硬度最低,为HBW438。这是由于随着加热温度的升高,未溶碳化物逐渐溶解,使淬火后马氏体的含碳量增加,马氏体含碳量的增加导致硬度增加。观察试样的显微组织(图

#

4)可以发现,3淬火组织的碳化物已经充分溶解。因此,通过上述试验结果,Cr17含Ni马氏体不锈钢3试样淬火组织最佳。2.2.2 回火工艺对高倍组织的影响

对经过高温淬火,再分别从低温到高温回火的5组样品进行分析,结果发现,中温回火的试样组织为回火马氏体+少量铁素体,高温回火的试样组织为索氏体+少量铁素体。试样的金相显微组织如图5所示。

分析图5可以发现,低温回火时,得到的基体组织为回火马氏体;随着回火温度的升高,马氏体;#

[5]

#

#

氏体已变为回火索氏体组织;高温回火时,碳化物颗粒均匀地分布在铁素体基体上。

2.3 热处理工艺对材料力学性能的影响

对高温淬火,分别由低温到高温回火的8个试样进行热处理,其硬度和力学性能测试结果如图6~7所示。

观察图6~7可以发现,经过回火后,材料强度曲线和硬度曲线变化趋势一致,这说明该种材料的强度和硬度有着良好的对应关系,中温以后随着强度的降低延伸率略有升高,而断面收缩率变化不大。在温度为中温范围回火时,该钢的硬度和强度有所提高,冲击韧性显著降低,出现明显的中温回火脆性倾向。这是因为在该温度范围回火时,板条间和晶界上析出高弥散度的Cr、Fe碳化物,晶界上碳化物的析出大大降低了钢的韧性,使钢的硬度反常提高,导致该钢在此时出现较明

[6-7]

显的回火脆性倾向。在随后的回火过程中,当回火温度升高时,由于马氏体和残余奥氏体都,

张小可等 热处理工艺对Cr17含Ni

马氏体不锈钢组织及性能的影响45

图5 Cr17含Ni马氏体不锈钢不同回火温度时的显微组织图

Fig.5 MicrostructureofCr17+Nimartensiticstainlesssteelatdifferenttemperingtem

peratures

[8]

低碳马氏体和碳化物。随着碳化物的析出,合

金的强度、硬度下降,塑性、韧性提高。

3 结论

(1)随着淬火加热温度的提高,钢的马氏体组织的硬度增加,因此为了得到较高的强度、硬度,钢的淬火加热温度定为3试样的温度比较合适。

(2)为了得到较高的强度、硬度以及塑性的配合,钢的最终热处理工艺应为淬火+高温回火。经过该热处理工艺的金相组织为索氏体组织,而且晶粒亦比较细小,达6.5级左右。

(3)为了得到均匀细化晶粒的棒材,成品棒材锻造后,在最后退火前,棒材最好至少一次空冷至室温,使其有一次再结晶过程,然后再及时进炉退火冷却。

(4)Cr17含Ni马氏体不锈钢回火时,其强度、硬度及组织有着良好的对应关系。

(5)Cr17含Ni马氏体不锈钢中温回火时,该钢的硬度和强度有所提高,延伸率略有降低,冲击韧性显著下降,出现明显的中温回火脆性倾向。因此成品棒材应尽量避免这个温度区域回火。

参

为碳含量更低的马氏体,而残留奥氏体也会分解成该温度下马氏体在相同温度下的分解产物

考

文

献

#

[1] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册[M].

第2版,北京:中国标准出版社,2002:470-474.

(下转第55页)

高 展等 钢管压力矫直行程计算公式的理论研究

sl

Y=a0X++b0

3EDa0和b0。

以钢级为G105,外径为127mm的钢管为例,其屈服强度为830MPa,弹性模量为200GPa,压力矫直两支点间距为735mm,对实际生产数据进行拟合,如图3

所示。

2

55

(21)

5 结论

(1)从弹塑性弯曲理论出发,以压力矫直过

程中矫直载荷 挠度模型为基础,推导出压力矫直行程与钢管初始弯曲量的关系式。结果表明,压力矫直行程与两支点的间距、材料的屈服强度正相关,与钢管的外径、弹性模量负相关。

(2)以实际生产数据对压力矫直行程的关系式进行回归分析,得出了压力矫直行程的计算公式。应用该计算公式可快速计算出钢管的压力矫直行程,有效提高钢管的压力矫直效率,减少重复劳动。

参

考

文

献

对实际生产数据进行线性回归即可得到常数

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(收稿日期:2008-02-02)

图3 压力矫直行程拟合曲线

Fig.3 Curvefittingofthepressstraighteningstroke

将图3中的拟合曲线与式(21)联立可求出:a0为1.3~1.5,b0为-0.4~-0.8。

将a0和b0代入式(21),对于不同钢级、规格

的钢管,确定了压力矫直两支点的间距,即可根据钢管的初始弯曲量求出相应的压力矫直行程。根据式(21)计算出的压力矫直行程一次便可将钢管矫直,大大提高钢管压力矫直工作效率。

(上接第45页)

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(收稿日期:2008-07-03)