马氏体不锈钢的亚温淬火
2025-04-27 15:14:36
作者：阿斯米 来源：阿斯米
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9Cr18 型马氏体不锈钢被广泛用于制造各种结构复杂的零部件。本文中提到的针阀是阀体产品中的重要零件，其结构复杂、尺寸配合精度高、服役环境条件较差及技术要求严格，因而对针阀的热处理提出了较高要求。在产品的试制中，零件的冲击韧性aκ值偏低，废品率达40%，严重制约了产品研制进度和质量，成为生产中的瓶颈。 亚温淬火是指淬火温度比常规低50～60 ℃，低于Ac3的加热温度( Ac3为γ 相向α 相转变开始温度线) ，既可保证淬后硬度均匀一致，又可减少综合应力，避免开裂。亚温淬火的目的是让奥氏体在转变为马氏体时引起的体积膨胀应力作用于铁素体上，由于铁素体强度低，塑性好，能吸收部分淬火应力，同时细化奥氏体晶粒，降低热应力。 设计图样对针阀的热处理提出以下要求: 硬度51～55 HRC，同时保证冲击韧性aκ＞5kg·m/cm2 。对于钢件来说，硬度值越高，冲击韧性值越小。从设计参数可以看出，其技术要求非常之严，因此加大了针阀热处理加工难度。必须通过调整热处理工艺来改善性能，大幅提高其使用寿命和冲击韧性值。 零件针阀采用TL1068A 型高温箱式电阻炉加热，炉内温度至900 ℃时入炉，升到1050 ℃，保温时间18 min，淬火介质为常温机械油，入油转移时间5 s。淬火前针阀后尾部内腔用耐火棉填充，其目的是减少内腔在高温加热中产生氧化皮现象。 低温回火采用低温干燥箱，加热温度160 ℃，保温2 h，空冷。回火时采用专用不锈钢胎具将产品均匀码放。 冷处理采用深冷箱，冷处理温度为－196 ℃，保温2h，自然回升到室温。 采用RJ2-36-6 节能型井式回火炉，加热温度450 ℃，保温2 h，空冷。 众所周知，钢的热处理原理是加热温度越高，奥氏体化越充分，奥氏体晶粒越粗大，增加了淬后热应力和组织应力，容易使有内孔零件综合应力超过材料应力极限而开裂。由于9Cr18 型马氏体不锈钢属于高铬马氏体钢，采取较高的预热温度升到淬火加热温度，造成了奥氏体晶粒较粗大，增加了热应力和组织应力，使碳化物继续在晶界处沉淀，弱化了晶界，同时回火温度过高，沿晶界处析出弥散度很高的碳化物而出现了贫铬区，不可避免地产生回火脆性，降低冲击韧性值。9Cr18 型马氏体不锈钢淬火后金相组织如图1(a) 所示，其初生碳化物含量少，尺寸相差较大; 图1(b) 是其韧窝断口形貌，出现少量分散的沿晶界断裂; 从图1(c) 可以看出，材料的晶粒大小均匀。 9Cr18 型马氏体不锈钢由于含有大量的合金元素Cr，大大降低了该类钢共析点的含碳量，因此9Cr18 钢可以认为是过共析钢。9Cr18 型马氏体不锈钢是一种特殊的耐腐蚀性钢，具有较好的淬透性、较高的耐腐蚀性和抗回火稳定性。对于钢件来讲，硬度值要求越高，冲击韧性值越低，但设计要求与钢件原理恰恰相反，即要高硬度又要高冲击韧性。针对该产品针阀的设计要求，在确保淬回火后硬度值和一定耐腐蚀性，不产生淬裂，提高冲击韧性值的前提下，采用亚温淬火法能解决冲击韧性合格率偏低的难题。 试验所用钢9Cr18 的化学成分为( 质量分数) : C0.90%～1.00%; Si≤0.8%; Mn≤0.8%; S≤0.030%;P≤0.035%; Cr 17%～19%。临界温度Ac1为850 ℃。 为满足技术要求，选用与产品相同的9Cr18 钢作为试验材料，加工尺寸如图2所示。 采用TL1068 型高温箱式电阻炉加热，为了减少氧化，同时细化晶粒组织，经850 ℃入炉保温15min后，迅速转入1000℃高温炉中保温18min，然后迅速浸入机械油中冷却至室温( 油温≤ 60 ℃) ; 清洗后经低温160 ℃回火保温2 h，空冷至室温; 再进行冷处理，-196 ℃保温2 h 后回升至室温; 最后经低温300 ℃回火保温2 h 后空冷。热处理工艺如图3所示。 为了保证试样的准确性，以减少含碳量不均匀造成的影响，试样取样部位选取同一批号，同一炉次的材料的中段。试样采用磨床磨削表面，粗糙度为Ra 0.8。合理布置硬度测试点，如图4。 试验采用降低淬火温度，以期获得初生碳化物含量较多、晶粒尺寸相差不大、韧窝形貌完好的组织。所谓亚温淬火是指在Ac1～Acm之间的双相温度区淬火。本试验之所以选用比正常淬火温度低50～60℃的淬火温度，其主要目的是使奥氏体转变不完全，在组织中保留少量细小晶粒的残余铁素体均匀分布在奥氏体晶界上。在淬火过程中，使奥氏体转变为马氏体引起的体积膨胀应力作用于铁素体上，使淬火应力部分得到吸收，起到细化奥氏体晶粒和降低热应力的作用，以及降低淬火综合应力，避免淬火过程中产生细微裂纹。同时降低回火温度，防止晶界处析出弥散度很高的碳化物而出现贫铬区。 用HT300 型洛氏硬度计测试试样淬火后表面硬度平均值为57.3 HRC，回火后硬度平均值为52.7HRC。结果见表1、表2。采用ZBC-300C 型冲击试验机进行测量，采用GB /T229-2007 标准。结果见表1、表2。 亚温淬火试样的显微组织如图5所示。图5(a) 是9Cr18 马氏体不锈钢亚温淬火后的金相组织，其初生碳化物含量多，尺寸相差不大; 图5(b) 是其韧窝断口形貌，韧窝形貌完好; 从图5(c) 可以看出，材料的晶粒大小均匀。亚温淬火后的组织为马氏体+少量铁素体，回火后硬度为53 HRC 左右，金相组织为回火马氏体。 采用亚温淬火工艺，所有针阀产品均达到技术要求，为本企业解决了生产加工中的瓶颈，取得了一定经济效益。(1) 亚温淬火可以使奥氏体转变不完全，在组织中保留少量的残余铁素体，并使晶粒细小的铁素体均匀分布在奥氏体晶界上。(2) 降低回火温度能防止回火脆性产生，可以获得较好的综合力学性能。与常规工艺相比较，在硬度相同条件下，具有较高的冲击韧性值。(3) 采用亚温淬火法成功解决了冲击韧性值合格率偏低的难题，满足了设计要求并通过产品验证。(4) 针对9Cr18 钢的特性，采用预热处理降低淬火温度及低温回火的工艺试验，取得了较为明显的技术经济效果，在确保淬回火后硬度值和一定耐腐蚀性的前提下，不产生淬裂，提高了冲击韧性值，节约了能耗。
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