陳翌鵬，張玉妥，2

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016)

隨著我國電力產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對高效、清潔的火電機(jī)組需求量日益增加。大型水泵是大型火電機(jī)組設(shè)備中重要的輔機(jī)之一。電廠泵中平衡盤、葉輪擋套和軸套等零部件以1Cr17Ni2鋼為材料加工制造而成[1-3]。

1Cr17Ni2鋼為典型低碳馬氏體不銹鋼，具有良好的耐蝕性和強(qiáng)度，常被用作制造耐蝕承載關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件及緊固部件。因相關(guān)部件服役情況復(fù)雜，要求該材料具有較高強(qiáng)度的同時(shí)又具備良好的塑韌性[4-6]。本文通過對淬火態(tài)1Cr17Ni2鋼進(jìn)行不同低溫回火處理，從回火溫度對碳化物形貌和分布影響的角度分析其對沖擊韌性的影響機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)中制定合適的熱處理工藝提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料取自實(shí)際生產(chǎn)的某火電廠大型水泵中鍛件，測定的化學(xué)成分如表1所示，材料化學(xué)成分滿足GB-T1220-2007中對1Cr17Ni2的成分要求。

將鍛件切割成尺寸為φ110mm×65mm的試塊，將其6等分，以保證每等分試塊熱處理后能夠加工成3個(gè)拉伸試樣和3個(gè)沖擊試樣。試塊熱處理工藝如下：首先將試塊在1050℃保溫1h淬火后油冷，然后對淬火試塊分別進(jìn)行不用工藝的回火處理，回火溫度分別為280℃、320℃和360℃，保溫時(shí)間均為2h，出爐后油冷，具體熱處理工藝如表2所示。

表2 1Cr17Ni2鋼熱處理工藝表

此研究所有顯微組織觀察都基于鍛件縱向，在不同熱處理?xiàng)l件下的試塊上取金相試樣進(jìn)行組織分析。經(jīng)研磨、拋光和腐蝕劑(苦味酸、鹽酸和酒精溶液)浸蝕后，采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。對不同熱處理?xiàng)l件下的1Cr17Ni2鋼試塊進(jìn)行力學(xué)性能測試，每種性能測試均進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)并取平均值，沖擊試樣斷口經(jīng)清洗后，利用掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織及斷口形貌，并進(jìn)行能譜(EDS)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低溫回火對1Cr17Ni2鋼顯微組織的影響

根據(jù)對1Cr17Ni2鋼的化學(xué)成分測量結(jié)果，使用熱力學(xué)軟件Thermo-Calc基于TCFE8數(shù)據(jù)庫對1Cr17Ni2鋼平衡相組分進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。圖1為1Cr17Ni2鋼的平衡相組分圖。經(jīng)計(jì)算得出其奧氏體化開始溫度為986℃，結(jié)束溫度為1067℃。因此，本實(shí)驗(yàn)奧氏體化溫度根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況選擇為1050℃。

圖1 1Cr17Ni2鋼的平衡相組分圖

圖2為淬火態(tài)1Cr17Ni2鋼經(jīng)不同溫度回火后顯微組織的OM像。由圖2可以看出，在低溫回火過程中，1Cr17Ni2鋼顯微組織都存在馬氏體基體和第二相δ鐵素體，其中δ鐵素體組織在光學(xué)顯微鏡下呈亮白色條狀，長約幾十到幾百微米不等，寬約30微米以下。進(jìn)一步使用SEM對上述不同回火溫度的1Cr17Ni2鋼顯微組織進(jìn)行觀察分析，所見如圖3所示。由圖3能夠清楚地看

圖2 經(jīng)不同溫度回火處理后的1Cr17Ni2鋼金相圖

圖3 經(jīng)不同溫度回火處理后的1Cr17Ni2鋼回火馬氏體SEM圖

到板條馬氏體周圍形成一些細(xì)小的碳化物，呈亮白色，隨著回火溫度的上升，碳化物數(shù)量逐漸增多，但整體上來說，因回火溫度較低，碳化物面積百分比較小。

2.2 低溫回火溫度對1Cr17Ni2鋼力學(xué)性能的影響

表3為1Cr17Ni2鋼經(jīng)不同溫度回火熱處理后的力學(xué)性能，在不同溫度回火過程中，材料的抗拉和屈服強(qiáng)度的平均值在939～971MPa和1314～1354MPa之間變化，變化較小，延伸率和斷面收縮率基本保持不變。

表3 1Cr17Ni2鋼熱處理后的力學(xué)性能

圖4為1Cr17Ni2鋼在不同回火溫度下強(qiáng)度和延伸率與回火溫度的柱狀圖。

圖4 1Cr17Ni2鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率隨回火溫度變化柱狀圖

由圖4中可以看出，在低溫回火(280℃、320℃和360℃)時(shí)，隨著回火溫度的升高，抗拉和屈服強(qiáng)度基本保持不變。圖5為1Cr17Ni2鋼回火馬氏體基體和高溫鐵素體在不同回火溫度下的顯微硬度柱狀圖，從圖中可以看出，隨回火溫度的升高，第二相δ鐵素體的硬度值基本保持不變，馬氏體基體在低溫回火中硬度值略有下降。圖4中的強(qiáng)度和圖5中的硬度具有良好的對應(yīng)關(guān)系，這是因?yàn)?，根?jù)回火溫度的變化，回火后的力學(xué)性能由其微觀組織的相組成直接決定。在低溫回火過程中，材料的強(qiáng)、硬度值基本保持不變，一方面表明該鋼具有很好的抗低溫回火軟化能力；另一方面表明該鋼內(nèi)部發(fā)生了微觀組織和析出相的動(dòng)態(tài)變化，但這種變化是動(dòng)態(tài)平衡的，即析出的少量碳化物所產(chǎn)生的強(qiáng)化效果抵消了馬氏體位錯(cuò)密度的下降及基體回復(fù)而導(dǎo)致的軟化效果。

圖5 1Cr17Ni2鋼顯微硬度隨回火溫度變化柱狀圖

圖6為1Cr17Ni2鋼沖擊功隨回火溫度變化柱狀圖，從圖中可以看出，在低溫回火(280℃、320℃和360℃)時(shí)，隨回火溫度的升高，沖擊韌性顯著降低。根據(jù)沖擊韌性變化規(guī)律可知：在低溫回火時(shí)，組織中析出的碳化物不均勻分布于原馬氏體板條邊界，受力時(shí)這些碳化物和基體之間會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，使碳化物和基體之間形成裂紋，相連的碳化物會(huì)導(dǎo)致微裂紋沿著連續(xù)的碳化物擴(kuò)展[7]，因此鋼的沖擊韌性顯著惡化。本研究針對的火力機(jī)組水泵中緊固部件材料力學(xué)性能指標(biāo)要求為：Rm≥980MPa、Rp0.2≥835MPa、A≥13%、Z≥32%、Akv≥45J。因此，1Cr17Ni2鋼經(jīng)油淬后在280℃和320℃回火能同時(shí)滿足強(qiáng)度和沖擊功的要求。

圖6 1Cr17Ni2鋼沖擊功隨回火溫度變化柱狀圖

2.3 沖擊斷口橫截面觀察

將已進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)的試樣斷口處橫向切割，切割出的小試塊進(jìn)行鑲嵌，用砂紙?jiān)谀仚C(jī)上水磨、拋光和腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察腐蝕的效果。圖7為回火溫度280℃時(shí)1Cr17Ni2鋼的沖擊斷口側(cè)剖面金相圖。

圖7 回火溫度280℃時(shí)1Cr17Ni2鋼的沖擊斷口側(cè)剖面金相圖

從圖7可以看出，由于δ鐵素體與馬氏體變形協(xié)調(diào)能力較差，在沖擊載荷作用下，δ鐵素體尖部易于產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中和變形不協(xié)調(diào)，易引起應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中到一定程度時(shí)，在界面處開裂形成微裂紋。因此，在受到外部載荷作用時(shí)，δ鐵素體易于裂紋的萌生與擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼的沖擊韌性降低。這也是材料沖擊韌性較低的另一個(gè)原因。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過低溫回火(280～360℃)后，1Cr17Ni2鋼的顯微組織為板條馬氏體、δ鐵素體和少量碳化物。

(2)低溫回火階段，隨著回火溫度的升高，1Cr17Ni2鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和顯微硬度變化不大，而材料的沖擊韌性逐漸降低。1Cr17Ni2鋼在回火溫度范圍為280～360℃時(shí)出現(xiàn)了較好的強(qiáng)-韌塑性配合。

(3)低溫回火狀態(tài)下，在受到外部載荷作用時(shí)，δ鐵素體與馬氏體變形協(xié)調(diào)能力較差，δ鐵素體尖部易產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中和變形不協(xié)調(diào)，微裂紋易在邊界處和δ鐵素體上開裂。