沉淀硬化不銹鋼相變曲線研究與分析

劉業(yè)超，陳 煒，邵 帥，牛 丹，郝建國，蓋登宇

(1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869； 2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006)

沉淀硬化不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性能和焊接性能、良好的沖擊韌性，主要用作齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉(zhuǎn)子、泵件等[1-3]。目前，對(duì)沉淀硬化不銹鋼的研究主要集中在熱處理工藝及耐腐蝕性等方面，對(duì)沉淀硬化不銹鋼相變參數(shù)的研究甚少。本文通過對(duì)沉淀硬化不銹鋼相變曲線及其參數(shù)的研究，為其合理制定熱處理工藝提供參考依據(jù)，并且為該鋼的合理利用及其開發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料沉淀硬化不銹鋼采用電渣重熔后經(jīng)鍛造成型，規(guī)格為150 mm×200 mm×100 mm，其化學(xué)成分見表1。然后選取熱膨脹試樣，位置為距離鍛件表面1/3高度處，試樣規(guī)格為φ3 mm×10 mm，如圖1所示。

表1 沉淀硬化不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of precipitation hardening stainless steel(mass fraction，%)

圖1 沉淀硬化不銹鋼膨脹試樣Fig.1 Precipitation hardening stainless steel expansion specimen

本試驗(yàn)采用Formastor-FⅡ全自動(dòng)相變儀測量奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及轉(zhuǎn)變量與溫度和時(shí)間的關(guān)系，測量沉淀硬化不銹鋼奧氏體化后不同冷卻速度的轉(zhuǎn)變類型及轉(zhuǎn)變開始和終了溫度；同時(shí)利用數(shù)值模擬軟件，通過內(nèi)置的模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，快速繪制該材料的轉(zhuǎn)變曲線，與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 測定沉淀硬化不銹鋼CCT曲線

將沉淀硬化不銹鋼加熱至奧氏體化溫度1050 ℃保溫10 min，然后以不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻，冷卻速度分別為14.8、8.05、3.50、1.50、0.75、0.25和0.04 ℃/s，沉淀硬化不銹鋼連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線如圖2所示。由圖2可知，沉淀硬化不銹鋼具有良好的淬透性，在連續(xù)冷卻過程中只發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變；并得出沉淀硬化不銹鋼相變臨界溫度Ac1為625 ℃，Ac3為735 ℃，Ms為190 ℃。

圖2 沉淀硬化不銹鋼CCT曲線Fig.2 The CCT curve of precipitaion hardening stainless steel

采用蔡司200MAT金相顯微鏡對(duì)沉淀硬化不銹鋼進(jìn)行顯微組織觀察，如圖3所示。不同冷卻速度下沉淀硬化不銹鋼的組織均為馬氏體，結(jié)果與CCT曲線一致。

采用維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度檢測，載荷為500 g，其硬度范圍為332～349 HV。

圖3 在不同冷卻速度下沉淀硬化不銹鋼的顯微組織Fig.3 Microstructure of precipitation hardening stainless steel in different cooling rates

2.2 模擬計(jì)算沉淀硬化不銹鋼CCT曲線

針對(duì)沉淀硬化不銹鋼的實(shí)測化學(xué)成分，通過數(shù)值模擬計(jì)算軟件JMatPro進(jìn)行相變曲線的分析計(jì)算，其數(shù)值模擬計(jì)算的CCT曲線如圖4所示。由圖4可知，沉淀硬化不銹鋼在連續(xù)冷卻過程中只發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，與實(shí)測結(jié)果基本相同；并計(jì)算出沉淀硬化不銹鋼相變臨界溫度A1為627.4 ℃，A3為709.6 ℃，Ms為189.4 ℃。

圖4 沉淀硬化不銹鋼模擬計(jì)算CCT曲線Fig.4 The CCT curve of simulated calculation of precipitation hardening stainless steel

3 對(duì)比與分析

試驗(yàn)測得沉淀硬化不銹鋼的相變臨界溫度Ac3為735 ℃，Ac1為625 ℃，Ms為190 ℃，因其具有良好的淬透性，在緩慢冷卻過程中依然以馬氏體組織為主。而利用JMatPro軟件計(jì)算出沉淀硬化不銹鋼的相變臨界溫度A3為709.6 ℃，A1為627.4 ℃，Ms為189.4 ℃，根據(jù)模擬計(jì)算CCT曲線可以看出，冷卻后的組織為馬氏體。

A3和A1溫度是平衡狀態(tài)下的溫度線，這種平衡不是絕對(duì)的，只有當(dāng)升溫、降溫速度極慢時(shí)才會(huì)認(rèn)為是平衡狀態(tài)。但是實(shí)際生產(chǎn)中要保持平衡狀態(tài)是不可能的，實(shí)際生產(chǎn)的加熱速度不可能極慢，所以會(huì)出現(xiàn)實(shí)際奧氏體化溫度高于平衡相圖中A3線的溫度。

一般Ac3溫度范圍為A3+(30～50) ℃，此溫度差為過熱度，產(chǎn)生過熱度主要與加熱速度有關(guān)，即加熱速度快引起過熱度的增加?？琢钅衃4]研究表明，對(duì)于Cr含量低于4%的試樣，Cr對(duì)C元素?cái)U(kuò)散系數(shù)的影響要大于對(duì)C元素的有效擴(kuò)散距離的影響；然而，當(dāng)Cr含量超過4%時(shí)，Cr的影響卻正好相反。沉淀硬化不銹鋼中Cr含量超過12%，因此A3溫度和Ac3溫度間的過熱度取其下線，取30 ℃。JMatPro軟件數(shù)值模擬計(jì)算出Ac3溫度約為739.6 ℃，而實(shí)際通過設(shè)備檢測出沉淀硬化不銹鋼的Ac3溫度為735 ℃，結(jié)果基本一致。

理論上A1溫度與Ac1溫度依然存在相應(yīng)的溫度差，即過熱度。當(dāng)沉淀硬化不銹鋼加熱到高于A1溫度，奧氏體在鐵素體-碳化物邊界形核[5]。此時(shí)，奧氏體的形核率很高，初始形成的奧氏體晶粒很細(xì)，因此A1和Ac1的溫度差別很??；并且沉淀硬化不銹鋼由于合金元素多，極易形核，因此A1與Ac1溫度之間的過熱度應(yīng)該趨近于0。通過JMatPro軟件模擬計(jì)算出Ac1溫度約為627.4 ℃，而實(shí)際通過設(shè)備檢測出沉淀硬化不銹鋼的Ac1溫度為625 ℃，結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

1)實(shí)測得出沉淀硬化不銹鋼Ac1為625 ℃，Ac3為735 ℃，Ms為190 ℃；模擬計(jì)算得出沉淀硬化不銹鋼A1為627.4 ℃，A3為709.6 ℃，Ms為189.4 ℃，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。

2)沉淀硬化不銹鋼具有良好的淬透性，在連續(xù)冷卻過程中僅發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。