蔡杰,鄭騰騰,王攀智,楊家典,項(xiàng)春花
貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司 貴州貴陽(yáng) 550081
431不銹鋼(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)1Cr17Ni2鋼)具有較高的強(qiáng)度和硬度,對(duì)氧化性的酸類(一定溫度、濃度的硝酸、大部分的有機(jī)酸),以及有機(jī)酸水溶液都有良好的耐蝕性,其耐蝕性優(yōu)于410鋼和430鋼。431屬于馬氏體-鐵素體不銹鋼,其既保留了鐵素體鋼的耐蝕性,又具備馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度,具有良好的耐蝕性、較高的強(qiáng)度,以及良好的切削加工性能及冷沖壓成形性能,適用于制造在潮濕介質(zhì)中工作的承力件,是軸、銷、螺栓等部件的專用材料[1,2]。
由于431不銹鋼仍保留了高鉻鋼所具有的某些缺陷,如熱處理組織穩(wěn)定性差、元素成分微量波動(dòng)就會(huì)引起鋼的組織性能較大的變化等,因此常導(dǎo)致該材料熱處理后硬度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
我公司承制的431 不銹鋼鍛件,規(guī)格為φ2200mm×φ2050×400mm,為大型環(huán)鍛件,熱處理制度通常為:淬火(加熱溫度960~980℃,保溫130~150min,空冷)+回火(加熱溫度720~740℃,190~220min,空冷)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)該鍛件回火前和回火后硬度見表1。
表1 431不銹鋼鍛件回火前和回火后硬度(HBW)
從表1可看出,在現(xiàn)行熱處理制度下,淬火后鍛件硬度較高,經(jīng)回火后硬度有明顯的降低趨勢(shì),但仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)行熱處理制度及已制鍛件硬度值的統(tǒng)計(jì),可推測(cè)造成鍛件最終硬度不合格的原因可能為回火處理?xiàng)l件不合適。因此,擬進(jìn)行工藝試驗(yàn),通過(guò)改變回火處理制度來(lái)驗(yàn)證上述推論,同時(shí)摸索新的熱處理制度,以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度要求。
試驗(yàn)材料為431不銹鋼,鍛造后從鍛件本體上切取試塊,尺寸為60mm×15mm×15mm,數(shù)量9組,編號(hào)1#~9#,每組3個(gè)試塊。試驗(yàn)材料均來(lái)自同一爐批的原材料,其化學(xué)成分見表2。
表2 試驗(yàn)431不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
1)將上述9組試樣同爐按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相同的淬火處理:(920±10)℃,保溫120~126min,油冷。
2)將淬火后的9組試樣分別進(jìn)行不同工藝的回火處理,冷卻后對(duì)試樣表面拋光1.5~2mm,然后在布氏硬度機(jī)上檢測(cè)其硬度,結(jié)果見表3。
表3 不同工藝回火處理后試樣的硬度值
從試驗(yàn)結(jié)果可知,在同樣的淬火條件下,一次回火(試樣1#組、3#組、4#組、6#組、8#組)硬度很難滿足要求(≤290HBW);從試樣3#組與4#組試驗(yàn)結(jié)果可知,一次回火保溫時(shí)間對(duì)硬度影響不大;從試樣1#組、3#組、6#組、8#組試驗(yàn)結(jié)果可知,一次回火溫度不能太高,若溫度升高,則硬度有上升趨勢(shì);從試樣2#組、5#組、7#組、9#組試驗(yàn)結(jié)果可知,兩次回火且二次回火溫度比一次回火溫度低時(shí),硬度下降較為明顯,均能達(dá)到要求值;從試樣5#組、7#組試驗(yàn)結(jié)果可知,一次回火溫度降低,硬度有下降趨勢(shì)。
對(duì)于一次回火的 431 不銹鋼而言,在熱處理狀態(tài)下其顯微組織主要包括馬氏體相+鐵素體相+碳化鉻析出相+殘留奧氏體相[3],隨著回火溫度的升高,碳化鉻析出增加,導(dǎo)致回火溫度升高,強(qiáng)度與硬度具有升高趨勢(shì)。
對(duì)于二次回火的431不銹鋼而言,在熱處理狀態(tài)下,其顯微組織主要為回火索氏體+少量鐵素體+碳化物M23C6顆粒[4],由此可推測(cè)431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)比一次回火溫度低的二次回火處理后,其硬度反而呈下降趨勢(shì)的原因,主要為二次回火時(shí),新產(chǎn)生的板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織,從而使強(qiáng)度、硬度降低。
為驗(yàn)證這一推測(cè),選取經(jīng)二次回火處理的試樣(2#組試樣),按ASTM E112—2013《平均晶粒度測(cè)定的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的方法經(jīng)腐蝕后進(jìn)行高倍組織觀察,其組織如圖1所示。從圖1可看出,其金相組織主要為回火索氏體+少量鐵素體+M23C6碳化物顆粒,推測(cè)得以驗(yàn)證[5,6]。
從表3可看出,7#組試樣硬度降低最為明顯。由于產(chǎn)品規(guī)格及壁厚大,選用與7#組試樣相同的熱處理制度,即淬火(990℃)+一次回火(720℃)+二次回火(660℃)。產(chǎn)品按以上制度進(jìn)行熱處理后,其硬度檢測(cè)結(jié)果見表4。其晶粒度為6~6.5級(jí)(標(biāo)準(zhǔn)要求3級(jí)或更細(xì))。產(chǎn)品經(jīng)新的制度進(jìn)行淬火+二次回火處理后,其硬度及奧氏體晶粒度均滿足技術(shù)條件的要求。
1)431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)淬火后一次回火處理,其組織主要為馬氏體相+鐵素體相+碳化鉻析出相+殘留奧氏體相,隨著回火溫度升高,碳化鉻析出增加,其強(qiáng)度硬度有上升趨勢(shì)。
2)431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)淬火后二次回火處理,其顯微組織主要為回火索氏體+少量鐵素體+M23C6碳化物顆粒。在經(jīng)過(guò)比一次回火溫度低的二次回火處理后,原板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織,從而使強(qiáng)度、硬度降低。
3)通過(guò)試驗(yàn)及機(jī)理分析可知,要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的硬度值≤290HBW,一次回火溫度不能太高或太低,區(qū)間為700~740℃最佳,二次回火需比一次回火溫度低,區(qū)間為660~690℃。