23CrNi3MoA釬具用鋼熱處理工藝對力學(xué)性能及顯微組織的影響

張偉，王青海，劉得勝，王磊，段發(fā)旺，竇玉龍，王國存

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005）

0 前言

23CrNi3MoA鋼做為低碳高鎳鉻鉬鋼，熱處理后具有良好的力學(xué)性能，做為釬頭、釬尾及重型釬桿用原材料近年來已在釬具制造行業(yè)廣泛應(yīng)用。

有研究表明23CrNi3MoA釬尾在830℃油淬480℃回火2h時(shí)具有高強(qiáng)度、高韌及較高的疲勞強(qiáng)度，可提高液壓鑿巖機(jī)釬尾的疲勞壽命[1]，也有研究表明鋼在820～860℃淬火時(shí)有著良好的強(qiáng)韌性[2]。

本實(shí)驗(yàn)依托西寧特鋼工藝裝備進(jìn)行全面升級改造，在110 t Consteel電爐，410×530 mm三機(jī)三流大方坯連鑄機(jī)、精品特鋼大小棒線的基礎(chǔ)上，結(jié)合西寧特鋼多年生產(chǎn)高品質(zhì)釬具鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對所生產(chǎn)的23CrNi3MoA鋼在試驗(yàn)室條件下采用不同的淬火、回火及等溫處理工藝，獲得相應(yīng)的力學(xué)性能及顯微組織，為23CrNi3MoA釬具產(chǎn)品的熱處理提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用鋼采用西寧特鋼生產(chǎn)的23CrNi3MoA釬具鋼，其生產(chǎn)工藝為：電弧爐冶煉→LF爐外精煉→真空脫氣→模鑄鋼錠→鋼錠緩冷、退火→表面檢查、清理→加熱爐加熱、開坯機(jī)開坯→方坯緩冷保溫→步進(jìn)梁式加熱爐加熱→連軋機(jī)組產(chǎn)材→坑冷保溫→退火→精整→檢驗(yàn)→聯(lián)合探傷→上交。

23CrNi3MoA鋼的牌號及化學(xué)成分見表1。

所有試樣的熱處理淬火加熱均在同一10 kW電阻爐中進(jìn)行，控溫精度±1℃；所有等溫處理均在同一硝鹽爐中進(jìn)行；低溫回火在15 kW井式爐中進(jìn)行。

力學(xué)性能、熱處理：拉伸測試在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊韌性在JB-30B試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，TH301型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測試硬度。

采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行組織浸蝕，利用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

2 結(jié)果與分析

2.1 淬火+回火處理

2.1.1 淬火+回火處理工藝下的力學(xué)性能

直接淬火+回火處理后的力學(xué)性能見表2。

表1 鋼的牌號及化學(xué)成分

表2 直接淬火+回火處理后的力學(xué)性能

23CrNi3MoA鋼直接淬火+回火處理后，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較高，同時(shí)也具有較好的伸長率和斷面收縮率及良好的沖擊韌性。

2.1.2 淬火+回火處理工藝下試樣的顯微組織

920℃×1 h油淬火+200℃×2 h空冷回火處理后，試樣的組織為回火馬氏體+細(xì)質(zhì)點(diǎn)狀碳化物，具體見圖1。

圖1 直接淬火+回火處理后23CrNi3MoA的顯微組織

2.1.3 淬火溫度和淬火保溫時(shí)間的影響分析

淬火溫度對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響見圖2。淬火溫度對屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響不大。隨著淬火溫度的升高，沖擊功Aku明顯升高。隨著淬火加熱溫度升高，伸長率和斷面伸縮率出現(xiàn)先減小后增加的現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S淬火加熱溫度升高，合金碳化物逐漸分解，合金元素C在奧氏體中的溶解量增加，合金元素的分布均勻性變好，淬火和回火組織更加均勻。結(jié)合23CrNi3MoA鋼在加熱過程中的奧氏體晶粒長大傾向[3]，最佳淬火溫度選擇為920℃。

淬火保溫時(shí)間對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響見圖3。淬火保溫不同時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度沒有明顯的變化，Aku值略微升高，隨著淬火保溫時(shí)間的延長，對強(qiáng)度和沖擊韌性的影響不大。隨著淬火保溫時(shí)間的增加，延伸率和斷面伸縮率先是升高，但當(dāng)淬火保溫時(shí)間超過45 min時(shí)，斷面伸縮率出現(xiàn)下降?？紤]碳和合金元素均勻化，保證充分奧氏體化以及保持較細(xì)的奧氏體晶粒，選擇最佳的淬火保溫時(shí)間為45min。

圖2 淬火溫度對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響趨勢

圖3 淬火時(shí)間對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響趨勢

2.1.4 回火溫度和回火保溫時(shí)間的影響分析

回火溫度對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響趨勢見圖4，隨回火溫度的升高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和AKu2值變化不大，伸長率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，斷面伸縮率呈上升趨勢。考慮到23CrNi3MoA在220℃下回火時(shí)會析出較多的細(xì)小的碳化物顆粒，使試樣的塑性降低，因此回火溫度不宜過高。因此，選擇200℃作為最佳的回火加熱溫度。

回火保溫時(shí)間對23 CrNi3 MoA力學(xué)性能的影響見圖5。隨著回火保溫時(shí)間的延長，屈服強(qiáng)度緩慢降低，抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和斷面伸縮率變化不大，伸長率有所上升?？紤]其綜合性能最優(yōu)，回火保溫時(shí)間定為2 h。

圖5 回火時(shí)間對23CrNi3MoA力學(xué)性能的影響趨勢

2.2 等溫淬火處理

2.2.1 不同等溫溫度對淬火處理后的力學(xué)性能的影響

2.2.1.1 試樣的力學(xué)性能

23CrNi3MoA鋼在860℃透燒保溫45min后在不同等溫溫度下保溫2h后空冷至室溫的力學(xué)性能見圖6，整體在260℃～290℃溫度等溫時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度比較穩(wěn)定，屈服強(qiáng)度隨著等溫溫度的提高略有提高，伸長率和斷面收縮率指標(biāo)均變化不大，沖擊韌性在260℃等溫時(shí)數(shù)值最高，相對而言沖擊韌性也是比較穩(wěn)定的；320℃等溫時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度開始降低。

圖6 860℃淬火加熱溫度下不同溫度等溫淬火處理后的力學(xué)性能變化趨勢

對23CrNi3MoA鋼在不同等溫溫度下保溫后的試樣的力學(xué)性能進(jìn)行比較，在290℃等溫時(shí)試樣的力學(xué)性能最優(yōu)。

2.2.1.2 試樣的顯微組織

23CrNi3MoA鋼在不同等溫溫度保溫后空冷至室溫的試樣的顯微組織見圖7。由圖6所測定的洛氏硬度并結(jié)合圖7的顯微組織可知：230-290℃溫度等溫時(shí)試樣的顯微組織為馬氏體，且隨著等溫溫度的提高，組織和硬度變化不大；320℃等溫時(shí)試樣的顯微組織為馬氏體+少量貝氏體及少量細(xì)質(zhì)點(diǎn)狀碳化物的混合組織，硬度開始有所下降。

2.2.2 淬火加熱溫度的變化對290℃等溫處理后的力學(xué)性能及組織的影響

2.2.2.1 試樣的力學(xué)性能

23CrNi3MoA 鋼在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃不同的淬火溫度下保溫45 min后，淬入290℃硝鹽爐等溫2 h時(shí)后出爐空冷，試樣的力學(xué)性能見圖 8。 在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃加熱時(shí)抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率及伸長率比較穩(wěn)定，屈服強(qiáng)度在860℃時(shí)較高，但沖擊韌性略低，在830℃淬火處理時(shí)沖擊韌性最高。

2.2.2.2 試樣的顯微組織

23CrNi3MoA 鋼在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃不同的淬火溫度下保溫45 min后，淬入290℃硝鹽爐等溫2 h時(shí)后出爐空冷，試樣的顯微組織見圖9。顯微組織為馬氏體，隨著淬火溫度的升高，試樣的顯微組織變化不大。

圖7 860℃淬火加熱溫度下不同等溫溫度淬火處理后的顯微組織

圖8 不同淬火加熱溫度下290℃等溫淬火處理后的力學(xué)性能變化趨勢

2.3 分析

有資料對23CrNi3MoA連續(xù)冷卻相變的組織進(jìn)行測定分析，冷卻速度在0.5-5℃／s的范圍內(nèi)時(shí)，23CrNi3MoA鋼的組織中有少量細(xì)小貝氏體組織，冷速＞5℃／s后組織均為馬氏體組織[4]。

對比表2和圖2至圖6、圖8中的熱處理工藝及試樣的力學(xué)性能檢測結(jié)果，可以看出，對23CrNi3MoA鋼而言，經(jīng)過直接淬火+回火處理和一定范圍溫度的等溫淬火處理，鋼的力學(xué)性能變化不大。

對比圖1、圖7和圖9的顯微組織，經(jīng)過直接淬火+回火處理和一定范圍溫度的等溫淬火處理，23CrNi3MoA鋼的顯微組織變化不大。

閆永民等人的研究同樣表明[5]，23CrNi3MoA鋼在熱處理過程中淬火保溫時(shí)間決定了碳化物能否全部回溶，回火溫度的高低是碳化物能否析出的關(guān)鍵，碳化物的存在對沖擊韌性造成不良影響，應(yīng)避免碳化物的存在，因此對23CrNi3MoA鋼的淬火保溫時(shí)間的選擇≥45 min，回火溫度≤200℃。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，直接淬火+回火處理和在860℃加熱+260℃～320℃溫度等溫處理時(shí)力學(xué)性能差別不是非常大，均具有較高的強(qiáng)度兼具良好的塑性和韌性，從某種意義上來說，直接淬火和等溫淬火處理因其冷卻速度上存在差異，所獲得的力學(xué)性能可對不同直徑零件經(jīng)淬火處理后的不同部位的力學(xué)性能提供一定的參考，從材料的適用性來說23CrNi3MoA鋼可適應(yīng)較大的規(guī)格范圍及較大范圍的熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整。因此，對于23CrNi3MoA鋼熱處理工藝參數(shù)的選擇，根據(jù)零件的大小來及時(shí)做出調(diào)整，大規(guī)格零件選用更高一些的淬火加熱溫度和略低一些的等溫溫度或者直接淬火+低溫回火處理。

與其它合金鋼相比，如不考慮滲碳處理及滲碳處理后的熱處理工藝對滲碳層及過渡層的性能的影響，23CrNi3MoA鋼的適用性更廣，對裝備的要求相對更低。同時(shí)也從直接淬回火處理及等溫淬火處理后的力學(xué)性能及組織變化上來看，對23CrNi3MoA釬具產(chǎn)品的熱處理，滲碳工藝是關(guān)鍵。

圖9 不同淬火加熱溫度下290℃等溫淬火處理后的顯微組織

3 結(jié)論

（1）直接淬火+回火處理工藝，熱處理工藝參數(shù)對強(qiáng)度的影響不大，對塑性影響較為明顯，23CrNi3MoA釬具鋼的最佳熱處理工藝為：920℃×45min油淬+200℃×2h回火，回火后空冷至室溫。

（2）等溫處理，23CrNi3MoA 釬具鋼在 230℃～290℃溫度等溫處理時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度比較穩(wěn)定，屈服強(qiáng)度隨著等溫溫度的提高略有提高，伸長率和斷面收縮率指標(biāo)均變化不大，沖擊韌性在260℃等溫時(shí)數(shù)值最高，整體而言在此溫度范圍進(jìn)行等溫處理時(shí)力學(xué)性能相對比較穩(wěn)定，顯微組織為馬氏體，隨等溫溫度的變化顯微組織變化不大；320℃等溫時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度開始降低。

（3） 等溫處理，23CrNi3MoA釬具鋼在830℃、860℃、890℃、920℃、950℃加熱，290℃等溫淬火后力學(xué)性能相對比較穩(wěn)定，顯微組織均為馬氏體組織，且隨淬火溫度的波動顯微組織變化不大，考慮晶粒長大因素及零件規(guī)格因素，淬火加熱溫度可選擇830℃～920℃。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄧群，饒建華，葉凌云.23CrNi3Mo熱處理工藝的試驗(yàn)研究[J]湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(4)：9～10.

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[4]王筑生，余偉，熊家澤，張吉舟，唐文龍，于嘉君.ZK23CrNi3Mo釬具用鋼的靜態(tài)相變研究[c]//2015年全國釬鋼釬具年會論文集.

[5]閆永明，劉雅政，周樂育，徐盛.熱處理工藝對23CrNi3Mo釬具鋼組織及性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35(2)：110-115.