熱處理對06Cr18Ni11Ti組織及抗熱疲勞性能的影響

陳　丹, 吳素珍， 李艷鵬， 邱得超， 鄧先強

(河南工程學院 機械工程學院 ，河南 鄭州 451191)

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熱處理對06Cr18Ni11Ti組織及抗熱疲勞性能的影響

陳丹, 吳素珍， 李艷鵬， 邱得超， 鄧先強

(河南工程學院 機械工程學院 ，河南 鄭州 451191)

研究了不同熱處理溫度(1 000 ℃，1 025 ℃，1 050 ℃，1 075 ℃)和時間(60 s，120 s)對06Cr18Ni11Ti組織和抗熱疲勞性能的影響.分析表明，熱處理溫度和時間能夠影響晶粒大小和碳化物形態(tài).隨著保溫時間的增加，晶粒和碳化物的尺寸增加；溫度升高，碳化物的數(shù)量和尺寸增加.相同的保溫時間下，晶粒長大受保溫溫度和碳化物的影響.在20～600 ℃的循環(huán)條件下，1 050 ℃×60 s處理后試樣的熱疲勞裂紋最短，變形較小，抗熱疲勞性能最好.

熱處理；模具鋼；熱疲勞

隨著機械制造業(yè)的發(fā)展，對模具鋼使用性能的要求也越來越高，一些精密模具要求既要耐高溫又要耐腐蝕.一般模具鋼容易銹蝕，使用壽命短，不能滿足該要求.奧氏體不銹鋼耐高溫、耐腐蝕性能都較好，是一種理想的熱作模具鋼.熱作模具鋼在使用時承受冷熱交替，應力較大，在該過程中組織會發(fā)生變化，表面氧化，尺寸發(fā)生變化，從而影響其使用壽命.06Cr18Ni11Ti是一種奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕能力，為了提高其耐晶間腐蝕的能力，在舊牌號的基礎(chǔ)上對其成分進行了微量調(diào)整[1-3].成分調(diào)整的目的主要是提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，成分的改變對組織會有所影響，所以有必要重新對調(diào)整成分后不銹鋼的熱疲勞性能進行研究.本課題對06Cr18Ni11Ti不銹鋼進行了不同參數(shù)的熱處理，目的是找到合適的工藝參數(shù)，獲得良好的使用性能.

1　實驗

實驗所用06Cr18Ni11Ti不銹鋼為澆鑄后鍛造而成，化學成分見表1.試樣尺寸為φ20 mm×20 mm，熱處理參數(shù)見表2.

表1　試樣的化學成分

表2　熱處理參數(shù)

熱處理完畢后,用線火花切割的方法在圓柱上加工出寬0.1 mm、深3 mm指向圓心的窄縫作為人工裂紋源，然后在電爐中進行熱疲勞實驗.熱疲勞實驗模擬熱作模具鋼的工作過程，將試樣迅速加熱到600 ℃后取出放入(20±2) ℃的水中冷卻，如此冷熱循環(huán)數(shù)次后用游標卡尺測量試樣的尺寸變化，用JC-10讀數(shù)顯微鏡記錄裂紋長度的變化，用不同粗糙度的金相砂紙對試樣進行打磨，用粒度為0.05 μm的Al2O3混懸液進行拋光，采用腐蝕劑m(FeCl3)∶m(HCl)∶m(H2O)=1∶21∶20進行腐蝕，浸蝕30 s左右.用顯微鏡和掃描電鏡觀察熱疲勞試樣的表面形貌與微觀組織，用能譜儀測定相關(guān)成分，用布氏硬度計測量硬度.

2　結(jié)果與討論

2.1熱處理對組織的影響

原始試樣硬度為HBW185,組織為奧氏體，耐腐蝕性能比較好，需要浸蝕較長時間，在奧氏體晶內(nèi)有少量碳化物.經(jīng)過熱處理后，組織仍然為單相奧氏體組織，但晶粒尺寸和碳化物發(fā)生了變化，碳化物的數(shù)量有所增加，見圖1(a)箭頭處；在加熱溫度高、時間長的情況下出現(xiàn)了孿晶，見圖1(b)中箭頭處.熱處理及熱疲勞后試樣的硬度見圖2(a)，熱處理后屈服強度見圖2(b),熱處理后析出的碳化物可以產(chǎn)生第二相強化，使材料具有較高的強度和硬度，較熱處理前有所提升.

圖1　試樣組織Fig.1　Microstructure of samples

圖2　試樣的力學性能Fig.2　Mechanical properties of samples

加熱溫度和保溫時間不同，晶粒長大的程度和碳化物尺寸都不相同.比較后發(fā)現(xiàn),在相同溫度下保溫時間越長，晶粒長大越明顯；相同的保溫時間下，晶粒長大受保溫溫度和碳化物的影響.這是由于06Cr18Ni11Ti不銹鋼中的鎳含量比較高，為11%左右，鎳能擴大γ區(qū)使其在常溫下存在，所以在熱處理過程中沒有發(fā)生固態(tài)相變，只有晶粒尺寸和固溶物及碳化物等發(fā)生了變化.隨著溫度的升高，原始組織中位錯開始運動，一些晶粒長大，在相同溫度下保溫時間越長，為位錯的重新組合提供的能量也就越多，即為晶粒長大提供的能量也就越多，所以晶粒長大的程度越明顯[4].保溫時間越長，溫度越高，碳化物越多，顆粒越大.在保溫時間相同的情況下，晶粒的長大趨勢受保溫溫度和碳化物的影響.溫度升高，為晶粒生長提供的能量越多；但另一方面，碳化物數(shù)量的增加具有釘扎作用，會阻礙晶粒生長.

2.2熱疲勞性能

經(jīng)過熱疲勞實驗后，試樣表面出現(xiàn)裂紋，有主裂紋和與主裂紋不貫通的小裂紋，裂紋有穿晶裂紋和沿晶裂紋，見圖3.

圖3　熱疲勞試樣(5#，300次熱循環(huán))Fig.3　Specimen after thermal fatigue test(5#，300 thermal cycle times)

小裂紋多發(fā)于粗晶區(qū)域和有大顆粒碳化物的區(qū)域，這些裂紋在熱疲勞實驗過程中生長并與主裂紋貫通.對于晶粒細小的試樣，其單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量較多，即位錯滑移的阻礙越多，單位長度上可以相互吸引而抵消的位錯就越少，這樣形成微裂紋源并且裂紋長大的機會就越少，材料的內(nèi)部應力水平就越低[5].也就是說，晶粒尺寸越小會使同樣應變條件下的應力集中減少，故細晶組織有利于提高裂紋萌生的抗力.細小的碳化物能夠阻礙裂紋的擴展，但在熱疲勞實驗過程中顆粒較大的碳化物與周圍奧氏組織的熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)不同，應力較大，容易成為裂紋源并脫落，見圖3(b)中標記處.能譜分析表明此處大顆粒物為Ti的碳化物，所以要控制不銹鋼中碳化物顆粒的尺寸.熱疲勞實驗后試樣的硬度見圖2，由于反復加熱、快速冷卻，碳化物析出，材料硬度上升，所以晶粒較大的試樣或碳化物顆粒較大的區(qū)域更容易出現(xiàn)裂紋.此外，從圖3(b)中可以看出，盡管有Ti的加入，經(jīng)過多次熱疲勞后，不銹鋼的晶界仍然會形成Cr23C6，造成晶間貧鉻層，晶界腐蝕明顯.

圖4　熱疲勞實驗結(jié)果Fig.4　Results of thermal fatigue test

圖4(a)是300次循環(huán)后試樣的變形量，可以看出3#，5#，7#的變形量較小，為0.02 mm.圖4(b)是裂紋擴展量情況，可以看到1#，5#的裂紋增長量最小，長度為0.04 mm.用熱疲勞品質(zhì)系數(shù)可以綜合衡量材料本身的機械物理性能對熱疲勞壽命的影響：

(1)

式中：v為泊松比，無量綱；R為導熱系數(shù)，單位為W/(m·℃)； Fr為應力松弛系數(shù)，無量綱；σs為屈服強度，單位為Pa；α為熱膨脹系數(shù)，單位為m·℃；E為彈性模量，單位為Pa；Δt為溫度差，單位為℃.

從公式(1)可以看出，熱應力越小，晶粒尺寸越小，屈服強度越高，塑性越好；碳化物的顆粒越細小，誘發(fā)裂紋的概率越低，材料的抗熱疲勞性能越高.合金元素Ti的加入是為了形成碳化物，避免形成貧Cr區(qū)，提高耐晶間腐蝕能力.Ti和碳形成的碳化物，尺寸較小時可以提高強度，尺寸較大時易成為裂紋源，降低抗熱疲勞性能.因此，熱處理時要綜合考慮晶粒大小、碳化物的數(shù)量和尺寸.5#試樣的晶粒尺寸較小、碳化物顆粒較小，綜合考慮材料的抗裂紋擴展能力和變形情況，其抗熱疲勞性能最好.

3　結(jié)論

(1)熱處理后，不銹鋼組織為奧氏體，熱處理的溫度和時間會影響晶粒大小和碳化物的尺寸及大小.保溫時間延長，晶粒和碳化物長大.保溫溫度升高，碳化物數(shù)量增多，晶粒大小受到保溫時間和碳化物的影響.熱疲勞實驗后，不銹鋼組織仍為奧氏體，裂紋傾向于向粗晶區(qū)域和有大顆粒碳化物的區(qū)域擴展.晶粒越小，碳化物顆粒越小，抗熱疲勞性能越好.

(2)在20～600 ℃的條件下，300次熱循環(huán)后熱處理溫度為1 050 ℃、時間為60 s的5#試樣裂紋增長量較小，變形量也較小，抗熱疲勞性能最好.

[1]史勤益，顏余仁，趙先銳，等.304奧氏體不銹鋼的熱處理工藝研究[J].科學技術(shù)與工程,2011,11(24):5910-5912.

[2]徐愛親.機電一體化設(shè)備材料304不銹鋼微觀組織和力學性能研究[J].熱加工工藝，2015,44(22):163-164.

[3]SHY Y H，HSU C H,HOU C Y.Effects of titanium addition and section size on microstructure and mechanical properties of compacted graphite cast iron[J].Materials Science and Engineering,2000,278(12):54-60.

[4]LIN P,ZHU Y,ZHOU H,et al.Wear resistance of a bearing steel processed by laser surface remelting cooled by water[J].Scripta Materialia,2010(63):839-842.

[5]鄧姝皓,張金菊,葉曉慧，等.熱處理對含銅節(jié)鎳奧氏體不銹鋼性能的影響[J].熱加工工藝,2010,39(14):145.

Effects of heat treatment on microstructure and thermal fatigue resistance of 06Cr18Ni11Ti

CHEN Dan, WU Suzhen, LI Yanpeng, QIU Dechao, DENG Xianqiang

(College of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

The effects of holding temperature(1 000 ℃，1 025 ℃，1 050 ℃，1 075 ℃) and time(60 s，120 s) on thermal fatigue resistance of hot die steel 06Cr18Ni11Ti were researched. The results show that the holding temperature and time could affect grain size and carbide. The size of both grain and carbide rise with the increase of heat treatment time. The amount and size of carbide increase with the increase of heat treatment temperature. The grain size depends on both holding temperature and carbide under same heat preservation time. The thermal fatigue resistance with 1 050℃×60 s is the best, distortion is low and the crack length is the minimum under thermal cycles condition of 20～600 ℃.

heat treatment; hot die steel; thermal fatigue resistance

2016-05-09

陳丹(1981-)，女,湖北公安人，講師，研究方向為金屬材料.

TG156.32

A

1674-330X(2016)03-0030-03