X4CrNiMo16-5-1新材料熱處理工藝研究

潘良高

（海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003）

X4CrNiMo16-5-1新材料熱處理工藝研究

潘良高

（海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003）

通過(guò)對(duì) X4CrNiMo16-5-1材料進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)，獲得了該材料最佳調(diào)質(zhì)工藝方法為：990℃淬火，油冷，590℃回火，油冷，其組織為回火索氏體＋鐵素體，力學(xué)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)QT900要求。

熱處理；馬氏體＋鐵素體；機(jī)械性能；組織

0 前言

某型產(chǎn)品中使用的新材料 X4CrNiMo16-5-1又稱(chēng)S165M，該材質(zhì)具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能和一定的耐腐蝕性能，主要用于海洋工程產(chǎn)品上。目前設(shè)計(jì)圖紙中該材質(zhì)技術(shù)要求達(dá)到QT900，經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的技術(shù)要求，X4CrNiMo16-5-1為國(guó)外牌號(hào)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有可以代替的類(lèi)似材料，也沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的熱處理工藝。熱處理技術(shù)要求高，難度大，且該材料從未進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)、生產(chǎn)，也沒(méi)有相適宜的熱處理工藝方法，屬新材料，因此需要進(jìn)行熱處理工藝研究，找出最佳的熱處理工藝方法和工藝參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能及加工需求，以滿(mǎn)足該材質(zhì)產(chǎn)品零件的熱處理要求。

1 技術(shù)要求

1）結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)試驗(yàn)條件，選擇直徑為φ50mm圓鋼為試驗(yàn)材料，原始態(tài)為退火狀態(tài)。

2）按EN10088-3:2005(E)標(biāo)準(zhǔn)，φ50mm直徑圓鋼QT900 對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求為：(縱向)900Mp≤Rm≤1100Mp，Rp0.2≥700Mp，A≥16%，AKV≥ 80J（常溫）。

3）X4CrNiMo16-5-1材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

高溫?zé)崽幚頎t一臺(tái)，型號(hào)為 RT2-120-12。力學(xué)性能試驗(yàn)在 WEW-600型微機(jī)屏顯液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行，在JB30A型294/147沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，夏比V型缺口，沖擊試樣執(zhí)行GB/T229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》，顯微組織觀察在南京晨光集團(tuán)圖像分析儀QMW550上進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)方法

為研究淬火溫度對(duì) X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響，選擇950℃、990℃、1020℃三種淬火溫度，淬火分別保溫90min，淬火方式選用油冷。

為研究回火溫度對(duì) X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響，選用 560℃、590℃、620℃、650℃四種回火溫度分別對(duì)上述三種淬火溫度進(jìn)行回火，回火保溫時(shí)間為120min，冷卻方式選用油冷。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 淬火溫度對(duì) X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響

X4CrNiMo16-5-1屬低碳合金鋼，經(jīng)950℃、990℃、1020℃淬火后均獲得板條狀馬氏體組織，且馬氏體組織上有鐵素體，如圖1所示。950℃淬火得到的是板條馬氏體，馬氏體組織上分布著鏈條狀鐵素體，990℃淬火得到的是高密度型的位錯(cuò)馬氏體，且鐵素體形貌發(fā)生了改變，鏈條已被打斷；1020℃淬火時(shí)，獲得位錯(cuò)型馬氏體和鐵素體，且鐵素體聚集長(zhǎng)大。從圖1看出，隨淬火溫度的升高，馬氏體板條略微增大。

圖1 X4CrNiMo16-5-1鋼淬火后的顯微組織×400

表2是不同淬火溫度下的拉伸、沖擊性能，可以看出，隨淬火溫度的提高，Rm、Rp0.2變化不明顯，塑性基本不變，沖擊有所提高，這是由于淬火溫度提高，奧氏體中溶入了較多的合金元素，有利于提高韌性。由于鋼成分含有較高的合金元素鉻、鎳，為保證合金碳化物充分溶解和奧氏體內(nèi)成分的均勻化，淬火溫度應(yīng)高些，同時(shí)淬火溫度過(guò)高，奧氏體晶粒有長(zhǎng)大的風(fēng)險(xiǎn)。X4CrNiMo16-5-1鋼含較高成分的合金元素Cr、Ni、Mo，能增強(qiáng)淬透性，降低 Ms點(diǎn)，奧氏體穩(wěn)定，采用空冷也可以獲得馬氏體和高的硬度，為保證更高的淬透性和強(qiáng)韌性，采用油冷卻淬火，選用990℃比較適宜。

表2 X4CrNiMo16-5-1鋼不同淬火溫度下的力學(xué)性能

3.2 回火溫度對(duì) X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響

不同回火溫度下 X4CrNiMo16-5-1鋼的力學(xué)性能如表3所示，990℃淬火，不同回火溫度下的顯微組織如圖2所示。

表3 X4CrNiMo16-5-1鋼不同回火溫度下的力學(xué)性能

在560℃～650℃范圍內(nèi)回火，隨回火溫度的升高，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，950℃和1020℃淬火態(tài)時(shí)，延伸率呈下降趨勢(shì)，這種變化規(guī)律不利于材料的使用性能。990℃淬火態(tài)時(shí)延伸率呈升高趨勢(shì)，斷面收縮率、韌性變化不明顯。990℃淬火，不同回火溫度下的顯微組織如圖2所示。

圖2 X4CrNiMo16-5-1鋼回火后的顯微組織×400

從圖2金相組織上看出，560℃回火時(shí)，回火組織基本保持淬火后的馬氏體形態(tài)，只是板條馬氏體有細(xì)化的特征。590℃～650℃回火，隨回火溫度的升高，較粗淬火形態(tài)的馬氏體逐漸消失，形成細(xì)小的板條馬氏體形態(tài)的索氏體，組織隨回火溫度升高逐漸顯得粗大，且鐵素體呈細(xì)小均勻分布，均勻分布的鐵素體存在對(duì)提高塑性和韌性是有很大作用的，細(xì)小均勻分布的鐵素體還有利于阻止裂紋擴(kuò)展，由于高密度的位錯(cuò)強(qiáng)化彌補(bǔ)了因鐵素體引起的強(qiáng)度降低。

綜上所述，990℃淬火、590℃回火后得到最佳的綜合機(jī)械性能匹配，屈強(qiáng)比較低、組織為具有細(xì)小板條馬氏體形態(tài)的索氏體＋鐵素體。

4 結(jié)論

1）X4CrNiMo16-5-1不銹鋼950℃～1020℃淬火，得到的組織均為板條馬氏體＋鐵素體，不同溫度淬火處理形成不同尺寸、形狀的板條馬氏體，對(duì)拉伸性能影響無(wú)明顯，沖擊性能隨淬火溫度升高而增大。

2）990℃淬火后，隨回火溫度的升高，較粗的淬火板條馬氏體逐漸分解成細(xì)小的板條馬氏體，強(qiáng)度下降，延伸率提高，韌性變化不明顯，調(diào)質(zhì)后獲得組織為細(xì)小的具有板條馬氏體形態(tài)的索氏體＋鐵素體。

3）X4CrNiMo16-5-1不銹鋼調(diào)質(zhì)最佳熱處理工藝參數(shù)為990℃淬火，油冷，590℃回火，能獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能匹配，其力學(xué)性能滿(mǎn)足QT900設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4）通過(guò)試驗(yàn)，制定了該材料的熱處理調(diào)質(zhì)工藝及參數(shù)，已成功應(yīng)用在某產(chǎn)品零件中。

[1] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[2] 樊東黎. 熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

Heat Treatment Research of New Material X4CrNiMo16-5-1

PAN Liang-gao
(Navy Representative Office at Aerospace Electromechanical System in Nanjing District, Nanjing 210003, China)

According to the heat treatment process test of X4cNiMo16-5-1, the best technical method of quenching and tempering is summarized: 990℃ queching, oil cooling, 590℃ tempering, oil cooling. It consists of tempered sorbite and ferrite and its mechanical property meets the design requirement QT900.

heat treatment; tempered sorbite and ferrite; mechanical property; construction

TG156

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.016

潘良高（1965-），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備監(jiān)造及發(fā)展研究。