浙江萬能達(dá)爐業(yè)有限公司

ZHEJIANG WANNENGDA FURNACE INDUSTRY CO.,LTD

熱處理工藝對(duì)不銹鋼組織與力學(xué)性能的影響

發(fā)表時(shí)間:2025-05-08 14:06作者:中國熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)
對(duì)半機(jī)匣作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的重要組成部分,工作環(huán)境十分惡劣,不僅要在高溫環(huán)境下工作,還要承受一般腐蝕介質(zhì)侵蝕、空蝕等多種工況。因此要求對(duì)半機(jī)匣不僅具有較高的強(qiáng)度和韌性,還要有良好的耐腐蝕性。同時(shí)為了便于加工,材料硬度也必須在要求的范圍內(nèi)。目前對(duì)半機(jī)匣的力學(xué)性能指標(biāo)是:抗拉強(qiáng)度σb≥750 MPa、屈服強(qiáng)度σ0.2≥550 MPa、伸長(zhǎng)率A≥15%、面縮率Z≥35%、沖擊功AKV≥50J,布氏硬度(HBW):221~294。對(duì)半機(jī)匣使用06Cr16Ni5Mo合金精密鑄造而成。
06Cr16Ni5Mo是超低碳馬氏體不銹鋼,該合金具有很好的塑形,耐腐蝕能力。研究表明,不同熱處理工藝對(duì)于06Cr16Ni5Mo合金的組合和性能有很大的影響,工業(yè)上常采用的熱處理工藝是淬火+回火處理。

本文通過對(duì)06Cr16Ni5Mo合金試樣在不同淬火和回火溫度下熱處理試驗(yàn),對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下合金相的析出、轉(zhuǎn)變對(duì)性能影響進(jìn)行研究,確定合金及機(jī)匣最佳熱處理工藝,以滿足機(jī)匣的性能控制要求,保證機(jī)匣工作的安全性、可靠性。

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試驗(yàn)材料與方法

采用06Cr16Ni5Mo合金作為研究對(duì)象,其化學(xué)成分見表1,熱處理工藝參數(shù)見表2。通過熔模精密鑄造技術(shù)在真空感應(yīng)爐中澆注出試棒(準(zhǔn)15 mm×70 mm),根據(jù)表2試驗(yàn)方案和工藝參數(shù)將06Cr16-Ni5Mo試棒在高壓氣淬真空爐中,采用階梯加熱,升溫速率小于15℃/min, 進(jìn)行不同淬火溫度的熱處理。淬火后將試棒加工為直徑為6mm,標(biāo)距長(zhǎng)度為30 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)V型沖擊試樣。分別采用《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》(HB5143)和《金屬室溫沖擊試驗(yàn)方法》(HB5144)進(jìn)行室溫條件下的拉伸試驗(yàn)(設(shè)備型號(hào):Landmark)和沖擊試驗(yàn)(設(shè)備型號(hào):NI750C)。試驗(yàn)完成后,對(duì)試樣的斷裂處采用GX-71型光學(xué)顯微鏡和Sigma300型掃描電鏡進(jìn)行金相組織的觀察。



根據(jù)測(cè)試結(jié)果選取性能最佳試樣的淬火溫度作為最優(yōu)方案。以最佳的淬火溫度對(duì)試樣進(jìn)行淬火熱處理,而后展開不同回火溫度的熱處理試驗(yàn),按上述相同辦法進(jìn)行試樣的拉伸和沖擊試驗(yàn),以及對(duì)試樣進(jìn)行組織分析。

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試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 淬火溫度對(duì)06Cr16Ni5Mo合金組織和力學(xué)性能的影響
     圖1和2為06Cr16Ni5Mo合金分別經(jīng)過950 、1000、1070、1100 ℃淬火后的金相組織及SEM圖像。由圖1和2可知,經(jīng)過淬火處理后合金的組織主要為板條狀淬火馬氏體+δ-鐵素體+殘余奧氏體。通過掃描電鏡可以觀察到,最寬的板條界可達(dá)2.1μm,較窄的大約是0.021μm。隨著淬火溫度的增加,馬氏體的板條逐漸粗大。在1070℃淬火溫度時(shí)達(dá)到頂峰,1100℃淬火溫度下馬氏體的板條尺寸基本不變。殘余奧氏體則是在950℃最少, 在1000℃時(shí)達(dá)到峰值。


     殘余奧氏體會(huì)使得材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所下降,但是對(duì)提升材料的韌性和塑性有著明顯的作用。
     表3是06Cr16Ni5Mo合金在不同溫度淬火后的力學(xué)性能,圖3是不同淬火溫度下合金力學(xué)性能的變化趨勢(shì)對(duì)比。由表可知,在950~1100℃淬火溫度下,隨著淬火溫度的升高,拉伸強(qiáng)度先增加后降低,屈服強(qiáng)度先降低后升高, 塑性和韌性先降低后升高,硬度逐漸增加。隨著淬火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度先升高后降低,在淬火溫度為1070℃時(shí)達(dá)到最大值1090MPa,之后逐漸降低,在1100℃抗拉強(qiáng)度降至1060MPa。屈服強(qiáng)度先降低后升高,在淬火溫度為1070℃時(shí)達(dá)到最小值595MPa,之后逐漸升高,1100℃時(shí)達(dá)到最大值630 MPa。伸長(zhǎng)率則先降低后升高,在淬火溫度為1000℃時(shí)達(dá)到最小值10%,之后逐漸升高,1100 ℃時(shí)達(dá)到最大值13%。面縮率先降低后升高,在淬火溫度為1070 ℃時(shí)達(dá)到最小值39%,之后逐漸升高,1100 ℃時(shí)達(dá)到最大值58%。沖擊功則先降低后升高,在淬火溫度為1070℃時(shí)達(dá)到最小值68J,之后逐漸升高,1100℃時(shí)達(dá)到最大值74J;布氏硬度隨著淬火溫度的升高而升高,淬火溫度為1100℃時(shí)達(dá)到最大值321HBW 。


    由此可得,在淬火溫度為1070℃時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,塑韌性也較高,硬度值較大。綜合考慮試樣的組織和力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果,可得06Cr16Ni5Mo合金最佳的淬火溫度為1070℃,保溫時(shí)間為40min,空冷,此時(shí)合金的綜合力學(xué)性能最佳。
2.2 回火溫度對(duì)06Cr16Ni5Mo合金組織和力學(xué)性能的影響
   根據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)果,將06Cr16Ni5Mo合金試樣均進(jìn)行1070 ℃/40 min的淬火處理,然后進(jìn)行不同溫度的回火處理。圖4~5是06Cr16Ni5Mo合金經(jīng)過1070℃/40 min淬火, 然后分別進(jìn)行550、580、650、700 ℃回火后的金相組織及掃描電鏡圖像。試樣在回火后的組織主要是回火馬氏體+δ-鐵素體+殘余奧氏體。淬火馬氏體隨著回火過程的進(jìn)行,最終會(huì)變成細(xì)小的回火馬氏體。而當(dāng)回火溫度增加到700℃時(shí),又出現(xiàn)新的淬火馬氏體。經(jīng)過回火處理后,一部分馬氏體會(huì)再次轉(zhuǎn)化為奧氏體, 且在冷卻過程中被保留在基體當(dāng)中,隨著回火溫度的增加,試樣中的奧氏體在短時(shí)間內(nèi)大量增多,650℃時(shí)達(dá)到峰值。隨著回火溫度的進(jìn)一步增高, 逆變奧氏體的熱穩(wěn)定逐漸下降,易在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌拇慊瘃R氏體,使材料強(qiáng)度有所提升。



    表4是06Cr16Ni5Mo合金在相同澆注工藝下淬火+回火后的力學(xué)性能,可知不同溫度淬火+回火后的力學(xué)性能,隨著回火溫度的升高,強(qiáng)度和硬度先降低后升高,塑性先降低后升高再降低,韌性先升高后降低再升高。


     具體來看,隨著淬火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度先降低后升高,回火溫度為550℃時(shí)抗拉強(qiáng)度為1003MPa,650℃時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值870MPa,之后逐漸升高,在700℃時(shí)抗拉強(qiáng)度升至893MPa;屈服強(qiáng)度先降低后升高, 回火溫度為550℃時(shí)屈服強(qiáng)度為918MPa,650℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到最小值618 MPa,之后逐漸升高,在700 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度升至720 MPa;伸長(zhǎng)率隨著回火溫度的升高逐漸降低,回火溫度為700℃時(shí)伸長(zhǎng)率最小為13%, 550和580℃時(shí)合金的伸長(zhǎng)率基本相近約18%,650℃時(shí)合金的伸長(zhǎng)率為16%;面縮率先降低再升高再降低,回火溫度為580℃時(shí)面縮率最小為64%,650和700℃時(shí)合金的面縮率基本相近約70%;沖擊功先升高后降低再升高,回火溫度為550℃時(shí)沖擊功最小為81.3J,700℃時(shí)合金的沖擊功達(dá)到最大為129.5 J;布氏硬度則隨著回火溫度的升高先降低后升高, 回火溫度為550℃時(shí)布氏硬度達(dá)到最大值304HBW,650 ℃時(shí)布氏硬度達(dá)到最小值269HBW,700℃時(shí)布氏硬度升高至290 HBW。


     由此可得,回火溫度在580~650℃時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性和硬度才能滿足技術(shù)條件要求。綜合以上分析可得,06Cr16Ni5Mo合金最佳的回火溫度為580~650℃,保溫時(shí)間為40min,此時(shí)合金的綜合力學(xué)性能最佳。
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結(jié)論

(1)通過對(duì)06Cr16Ni5Mo合金不同淬火溫度對(duì)合金組織和性能的影響規(guī)律研究可得,淬火后的組織主要是板條狀淬火馬氏體。隨著淬火溫度的升高,
合金的淬火馬氏體板條逐漸粗化。在950~1100 ℃溫度范圍內(nèi),隨著淬火溫度的升高,拉伸強(qiáng)度先增加后降低,而屈服強(qiáng)度先降低后升高,塑性和韌性先降低后升高,硬度逐漸增加。合金在淬火溫度1070 ℃,抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大,塑韌性也較高,硬度值較大。
(2)通過對(duì)06Cr16Ni5Mo合金不同回火溫度對(duì)合金組織和性能的影響規(guī)律研究可得, 回火后的組織主要是板條狀回火馬氏體。隨著回火溫度的升高,回火馬氏體板條逐漸變細(xì)小之后開始粗化。在回火溫度550~700 ℃范圍內(nèi),隨著回火溫度的升高,強(qiáng)度和硬度先降低后升高,塑性先降低后升高再降低,韌性先升高后降低再升高。在回火溫度為580~650℃范圍合金綜合力學(xué)性能最佳,且硬度能滿足技術(shù)條件要求。
(3)對(duì)半機(jī)匣06Cr16Ni5Mo合金最佳的熱處理制度為:淬火1 070 ℃/40 min,空冷,回火580~650 ℃/40 min,空冷。



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