真空時效加熱到溫時間滯后現(xiàn)象對FV520B鋼組織及性能的影響

于 晃， 王飛宇， 包翠敏， 王全振， 陳 煒， 曲德毅， 蔣申柱， 馬煜林

(1. 沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869；2. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110044)

FV520B鋼具有優(yōu)良的焊接性能、沖擊強(qiáng)度和耐蝕性能，主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的齒輪、葉輪、主軸、軸套、葉片等零部件[1]。真空熱處理具有防氧化、防脫碳、畸變小的特點(diǎn)，壓縮機(jī)關(guān)鍵工件葉輪通常采用真空爐進(jìn)行熱處理。真空熱處理以輻射加熱為主，其特點(diǎn)是爐膛內(nèi)升溫速度比工件升溫速度要快[2]，不能使用箱式電爐或者燃?xì)鉅t的保溫時間作為真空熱處理的保溫時間。目前，對于FV520鋼的研究主要集中于時效溫度對微觀組織和力學(xué)性能影響的研究[3-4]，對于真空時效的保溫時間鮮有研究報道。本文通過對試樣進(jìn)行實(shí)時溫度跟蹤，分析了真空時效下不同保溫時間對FV520B鋼組織和性能的影響，為該鋼在實(shí)際生產(chǎn)中熱處理工藝參數(shù)的制定提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用的鍛態(tài)FV520B鋼試樣的化學(xué)成分如表1 所示，試樣尺寸為40 mm×40 mm×200 mm。

表1 FV520B鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the FV520B steel (mass fraction，%)

真空熱處理工藝為固溶溫度1050 ℃，氣體冷卻壓力1.5 bar(1 bar=0.1 MPa，下同)；調(diào)整溫度860 ℃，氣體冷卻壓力為3 bar；固溶、調(diào)整工序后分別對試樣進(jìn)行時效處理。時效溫度為600 ℃，時效保溫時間分別為120、240、360、480、600和720 min。在每次時效時另放入一個破壞試樣，在試樣的表面和心部分別放置熱電偶，用于實(shí)時跟蹤溫度，如圖1所示。拉伸試驗(yàn)使用RSA250拉伸試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行；沖擊試驗(yàn)使用JWB-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，使用Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

圖1 熱電偶位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermocouple positions

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加熱溫度對加熱到溫時間滯后的影響

真空加熱由于爐內(nèi)氣體較少，工件與加熱元件之間的傳熱方式主要以輻射傳熱為主，對流傳熱的作用很小，可以忽略不計，所以工件的升溫會存在滯后的現(xiàn)象。影響工件在真空爐中加熱到溫時間滯后的因素有材料、尺寸、形狀和表面光潔度、設(shè)定溫度以及裝爐量、擺放方式等。

保溫時間以爐溫到達(dá)設(shè)定溫度開始記時。由圖2可知，當(dāng)爐膛溫度達(dá)到設(shè)定的加熱溫度時，試樣表面和心部均未達(dá)到該溫度。圖2(a)為1050 ℃×300 min固溶工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時跟蹤曲線，當(dāng)保溫開始時，試樣表面溫度為1033 ℃，心部溫度為984 ℃；保溫80 min后，試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度1050 ℃，這時心部溫度為1044 ℃；保溫140 min后，心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度1050 ℃。因此表面和心部到溫的滯后時間分別為80 min和140 min。圖2(b)為850 ℃×300 min調(diào)整工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時跟蹤曲線，當(dāng)保溫開始時，試樣表面溫度為808 ℃，心部溫度為689 ℃；保溫190 min后，試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度850 ℃，這時心部溫度為845 ℃；保溫250 min后，心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度850 ℃。圖2(c)為600 ℃×720 min時效工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時跟蹤曲線，當(dāng)保溫開始時，試樣表面溫度為516 ℃，心部溫度為330 ℃；保溫360 min后，試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度600 ℃，這時心部溫度為574 ℃；保溫460 min后，心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度600 ℃。真空熱處理存在零件到溫滯后現(xiàn)象，表2 為不同設(shè)定溫度下試樣表面和心部到溫的滯后時間，可以看出，隨著設(shè)定的加熱溫度的降低，滯后時間越長。通過圖2中表面和心部的測量，表明當(dāng)爐膛溫度到達(dá)設(shè)定的加熱溫度后，表面和心部的升溫速度降低。

圖2 不同溫度實(shí)時跟蹤曲線Fig.2 Real-time tracking curves for different set temperatures(a) 1050 ℃; (b) 850 ℃; (c) 600 ℃

表2 試樣到達(dá)不同設(shè)定溫度的滯后時間(min)Table 2 Lag time of the specimens reaching the different set temperatures (min)

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于裝爐量和裝爐方式的不同，很難具體判斷保溫時間，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定保溫時間，這會給產(chǎn)品的質(zhì)量帶來很大的差異性。根據(jù)大量的實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)每小時電能消耗的波動來判斷工件是否均溫。真空爐在使用過程中電能轉(zhuǎn)換成的熱量主要有爐體散熱以及工件吸熱，而爐體散熱消耗的電能幾乎是恒定的，工件在升溫過程中會不斷吸收熱量，當(dāng)工件溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，對于熱量的吸收減小，電能消耗逐漸下降，如圖3所示。當(dāng)工件燒透時，真空爐電能消耗主要包含爐體散熱消耗和維持工件溫度，當(dāng)工件溫度不再發(fā)生變化時，電能的消耗也趨于平緩。

圖3 真空爐時效保溫階段每小時消耗電能Fig.3 Power consumption perhour of vacuum furnace during the aging and holding stage

2.2 保溫時間對顯微組織的影響

FV520B鋼經(jīng)過1050 ℃×180 min固溶、850 ℃×240 min調(diào)整之后，組織為細(xì)小的板條馬氏體+少量殘留奧氏體[5]。600 ℃時效分別保溫120、240、360、480、600和720 min后的顯微組織如圖4所示，取樣位置如圖1所示。圖4(a，b)的組織為時效馬氏體+時效析出相，析出相很細(xì)小，圖4(c)的組織為時效馬氏體+少量殘留奧氏體，原板條馬氏體位向特征逐漸消失，隨著時效時間的延長，沉淀相析出且呈現(xiàn)彌散狀態(tài)，見圖4(d～f)。

圖4 FV520B鋼600 ℃時效保溫不同時間的顯微組織Fig.4 Microstructure of the FV520B steel aged at 600 ℃ for different holding time(a) 120 min; (b) 240 min; (c) 360 min; (d) 480 min; (e) 600 min; (f) 720 min

根據(jù)破壞試樣的溫度實(shí)時跟蹤(如圖5所示)，保溫120 min時，試樣的心部溫度只有489 ℃；保溫240 min時，試樣的心部溫度為533 ℃；保溫360 min時，試樣的心部溫度為574 ℃；保溫480 、600、720 min時心部溫度均達(dá)到了600 ℃。

圖5 試樣心部時效過程中的溫度跟蹤曲線Fig.5 Temperature tracking curve in the core of the specimen during aging

2.3 保溫時間對力學(xué)性能的影響

由圖6可知，600 ℃時效時，隨著保溫時間的延長，屈服強(qiáng)度隨著保溫時間的延長而降低；當(dāng)時效保溫時間少于460 min時，時效保溫初期，F(xiàn)V520B鋼析出的ε-Cu相與基體共格[6-7]，隨著保溫時間的延長，ε-Cu相脫溶析出、長大，與基體不再保持共格，因而強(qiáng)度逐步下降，而韌性回升；當(dāng)時效時間介于460 min和580 min之間時，奧氏體含量逐步增加，由于逆轉(zhuǎn)變奧氏體和析出相的脫溶[8]、長大共同作用使其強(qiáng)度下降劇烈，韌性明顯增加；當(dāng)時效保溫時間超過580 min時，析出相的脫溶、長大結(jié)束，奧氏體的形成減少，強(qiáng)度下降變緩，韌性增加變緩。

圖6 時效試樣不同保溫時間的力學(xué)性能(a)屈服強(qiáng)度;(b)沖擊吸收能量Fig.6 Mechanical properties of the specimens aged for different holding time(a) yield strength; (b) impact absorbed energy

真空時效保溫時間對于顯微組織及力學(xué)性能影響較大，是由于真空加熱到溫時間滯后造成工件心部溫度未到達(dá)保溫溫度，隨著保溫時間的延長，顯微組織不斷轉(zhuǎn)變，這種影響會隨之減小。所以，真空爐熱處理保溫時間對于產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，真空熱處理保溫時間應(yīng)該以工件心部實(shí)際到溫為起點(diǎn)開始計算，而不是以設(shè)備到達(dá)設(shè)定的加熱溫度的時間為起點(diǎn)，通過觀測設(shè)備電流、功率及電能消耗的變化情況，可以判斷工件是否均溫，為真空熱處理的工藝制定提供科學(xué)、合理的依據(jù)。

3 結(jié)論

1) 真空熱處理存在加熱到溫時間滯后現(xiàn)象，且加熱溫度越低，滯后時間越長；加熱初期升溫速度較快，工件溫度越接近設(shè)定的加熱溫度，升溫速度越慢。

2) 工件是否燒透，可以根據(jù)真空爐電能的波動判斷，當(dāng)工件處在升溫階段時，電能消耗較大；當(dāng)工件處在均溫階段時，電能消耗逐漸下降；當(dāng)工件燒透時，真空爐電能趨于平緩。

3) FV520B鋼在真空時效保溫初期，由于升溫時間滯后的原因，心部溫度尚未達(dá)到保溫溫度，隨著保溫時間的延長，屈服強(qiáng)度降低，沖擊吸收能量增加。