δ鐵素體含量對高強(qiáng)度不銹鋼韌性的影響

趙 亮

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

隨著大型轉(zhuǎn)動零件尺寸的不斷增大，高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼的使用越來越廣泛，尤其是ASME規(guī)范推薦材料。ASTM A705標(biāo)準(zhǔn)中對于屈服強(qiáng)度可達(dá)到1100 MPa以上的材料，夏比V型缺口沖擊功要求20 J為合格，但是對于高速轉(zhuǎn)動零件還不能滿足零件長期穩(wěn)定使用的要求。本文通過對熱處理后沉淀硬化不銹鋼的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行檢測和分析，并結(jié)合δ鐵素體含量預(yù)測公式，明確了不同化學(xué)成分沉淀硬化不銹鋼在高強(qiáng)度狀態(tài)下，沖擊韌性和δ鐵素體含量的關(guān)系。為高速轉(zhuǎn)動零件在高強(qiáng)度使用狀態(tài)下不同牌號沉淀硬化不銹鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支持。

1 沉淀硬化不銹鋼強(qiáng)化機(jī)理

相對于傳統(tǒng)不銹鋼，沉淀硬化不銹鋼發(fā)展較晚，1948年第一代馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH在美國阿姆科公司成功開發(fā)，由于化學(xué)成分含量相對單一，材料經(jīng)過固溶化和時效強(qiáng)化處理后，屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1100 MPa以上，但夏比V型缺口沖擊功僅約20 J。對于高速轉(zhuǎn)動零件，遇到強(qiáng)烈振動或沖擊極易造成失效。近年開發(fā)的高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼材料主要有15-5PH、17-7PH和FV520(B)等，在17-4PH原有化學(xué)成分的基礎(chǔ)上對鉻、鎳、銅、鈮等元素進(jìn)行了優(yōu)化，保證材料高強(qiáng)度的同時還具有良好的沖擊韌性。沉淀硬化不銹鋼傳統(tǒng)的熱處理方式為固溶化和時效處理。固溶化的目的是使鋼的組織完全奧氏體化，碳化物等析出相完全溶入到奧氏體中，使鋼盡可能的軟化。時效處理是馬氏體沉淀硬化不銹鋼的最終熱處理，也是決定其力學(xué)性能的最有利手段。時效處理的目的是利用時效作用產(chǎn)生細(xì)小、彌散分布的沉淀相，以便獲得盡可能高的強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能[1]。為了使材料在時效后獲得更加良好的綜合力學(xué)性能，在固溶化和時效處理之間通常加入調(diào)整處理，目的是利用奧氏體固溶體的實(shí)際化學(xué)成分來控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)。因?yàn)榻?jīng)過固溶處理后的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在隨后的加熱過程中會析出碳化物等析出相，導(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)定性降低，冷卻時更加容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，或者可以提高沉淀硬化不銹鋼的Ms點(diǎn)。通過選擇合適的溫度和保溫時間，可以控制Ms點(diǎn)達(dá)到室溫以上某一溫度，從而獲得全部的馬氏體組織[2]。

本文選用不同化學(xué)成分的沉淀硬化不銹鋼，采用傳統(tǒng)熱處理工藝方法，使材料達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度，對材料夏比V型缺口沖擊功和顯微組織進(jìn)行檢測與觀察，并結(jié)合δ鐵素體含量預(yù)測公式進(jìn)行計(jì)算，明確高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼δ鐵素體含量與沖擊韌性的關(guān)系。

2 δ鐵素體含量對沖擊韌性的影響

沉淀硬化不銹鋼的固溶化溫度一般采用950～1100 ℃，金相組織為板條狀馬氏體，隨著固溶化溫度的升高，馬氏體板條逐漸增大。對現(xiàn)有不同化學(xué)成分試驗(yàn)材料進(jìn)行相變點(diǎn)測試，Acs點(diǎn)為1013 ℃，即各種碳化物和金屬間化合物完全溶于奧氏體的溫度，故選擇固溶化溫度為1050 ℃。當(dāng)溫度超過1050 ℃，晶界阻力減小，晶粒長大，材料強(qiáng)度下降。對于調(diào)整處理，1050 ℃固溶化空冷后，通過X射線衍射定量分析，殘余奧氏體含量為8.06%；經(jīng)過750 ℃調(diào)整處理后殘余奧氏體含量為7%；經(jīng)過800 ℃調(diào)整處理后為6.2%；850 ℃調(diào)整處理后為4.1%；900 ℃調(diào)整處理后仍然為4.2%，故最佳調(diào)整溫度為850 ℃。經(jīng)480 ℃時效處理后，富銅相和各類碳化物開始析出，材料的強(qiáng)度達(dá)到最高值[3]。

現(xiàn)有試驗(yàn)鍛件6件，均為不同冶煉爐和電渣重溶后鍛造而成，鋼的化學(xué)成分見表1，試驗(yàn)鍛件尺寸為φ120 mm×230 mm，熱處理工藝如圖1所示。

熱處理后加工成標(biāo)距為30 mm、平行部分直徑為φ6 mm的縱向拉伸試樣，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》要求，采用RAS250萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣為夏比V型缺口，缺口深度為2 mm，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每組沖擊試驗(yàn)為3個試樣，試驗(yàn)溫度為室溫，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表1 不同試樣的實(shí)測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Measured chemical composition of different samples(mass fraction,%)

圖1 熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process

表2 熱處理后試樣力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of samples after heat treatment

由表2可知，6種不同化學(xué)成分的馬氏體沉淀硬化不銹鋼試樣，通過固溶化、調(diào)整和低溫時效處理后，材料的屈服強(qiáng)度均可達(dá)到1100 MPa以上[4]，其中1～4#試樣在滿足高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，夏比V型缺口沖擊功均滿足20 J的要求，而5#和6#試樣的沖擊功低于20 J。

結(jié)合и.я.索科夫公式，計(jì)算δ鐵素體含量：

δ(%)=2.4Cr+1.0Mo+1.2Si+14Ti+1.4Al+

1.7Nb+1.2V-41C-0.5Mn-2.5Ni-0.3Cu-

1.2Co-18，各試樣的δ鐵素體含量計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知，1～4#試樣的δ鐵素體含量低于5%，5#和6#試樣的δ鐵素體含量約8%，是造成材料具有高強(qiáng)度而塑性和韌性嚴(yán)重不均的主要原因。

表3 δ鐵素體含量計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of δ-ferrite content

3 顯微組織

分別對1#和5#試樣進(jìn)行金相組織觀察，如圖2所示。1#試樣主要為板條狀馬氏體組織，晶界處有大量顆粒狀析出物，并沒有明顯δ鐵素體出現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為沖擊值滿足要求；5#試樣在板條馬氏體的晶界處有δ鐵素體出現(xiàn)，是造成材料具有高強(qiáng)度而沖擊功較低的主要原因[5]。

(a,b)1#試樣；(c,d)5#試樣圖2 試樣金相組織(a,b)1# sample；(c,d)5# sampleFig.2 Microstructure of samples

4 結(jié)論

1)高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼的沖擊功與δ鐵素體含量密切關(guān)系，δ鐵素體含量低則沖擊功高，反之，δ鐵素體含量高則沖擊功低；

2)熱處理不能消除沉淀硬化不銹鋼中的δ鐵素體，因而要控制鋼中δ鐵素體含量；

3)在材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)過程中，尤其針對高轉(zhuǎn)速零件，應(yīng)保證δ鐵素體含量<3%，鍛造過程中也應(yīng)該避免過熱，才能確保零件長期穩(wěn)定性。