回火熱處理工藝對(duì)431不銹鋼鍛件硬度的影響

蔡杰，鄭騰騰，王攀智，楊家典，項(xiàng)春花

貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司 貴州貴陽(yáng) 550081

1 序言

431不銹鋼（相當(dāng)于國(guó)內(nèi)1Cr17Ni2鋼）具有較高的強(qiáng)度和硬度，對(duì)氧化性的酸類（一定溫度、濃度的硝酸、大部分的有機(jī)酸），以及有機(jī)酸水溶液都有良好的耐蝕性，其耐蝕性優(yōu)于410鋼和430鋼。431屬于馬氏體-鐵素體不銹鋼，其既保留了鐵素體鋼的耐蝕性，又具備馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度，具有良好的耐蝕性、較高的強(qiáng)度，以及良好的切削加工性能及冷沖壓成形性能，適用于制造在潮濕介質(zhì)中工作的承力件，是軸、銷、螺栓等部件的專用材料[1，2]。

由于431不銹鋼仍保留了高鉻鋼所具有的某些缺陷，如熱處理組織穩(wěn)定性差、元素成分微量波動(dòng)就會(huì)引起鋼的組織性能較大的變化等，因此常導(dǎo)致該材料熱處理后硬度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 431不銹鋼鍛件存在的問(wèn)題

我公司承制的431 不銹鋼鍛件，規(guī)格為φ2200mm×φ2050×400mm，為大型環(huán)鍛件，熱處理制度通常為：淬火（加熱溫度960～980℃，保溫130～150min，空冷）＋回火（加熱溫度720～740℃，190～220min，空冷）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)該鍛件回火前和回火后硬度見表1。

表1 431不銹鋼鍛件回火前和回火后硬度（HBW）

從表1可看出，在現(xiàn)行熱處理制度下，淬火后鍛件硬度較高，經(jīng)回火后硬度有明顯的降低趨勢(shì)，但仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)行熱處理制度及已制鍛件硬度值的統(tǒng)計(jì)，可推測(cè)造成鍛件最終硬度不合格的原因可能為回火處理?xiàng)l件不合適。因此，擬進(jìn)行工藝試驗(yàn)，通過(guò)改變回火處理制度來(lái)驗(yàn)證上述推論，同時(shí)摸索新的熱處理制度，以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度要求。

3 試驗(yàn)材料及方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為431不銹鋼，鍛造后從鍛件本體上切取試塊，尺寸為60mm×15mm×15mm，數(shù)量9組，編號(hào)1#～9#，每組3個(gè)試塊。試驗(yàn)材料均來(lái)自同一爐批的原材料，其化學(xué)成分見表2。

表2 試驗(yàn)431不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3.2 試驗(yàn)方法

1）將上述9組試樣同爐按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相同的淬火處理：（920±10）℃，保溫120～126min，油冷。

2）將淬火后的9組試樣分別進(jìn)行不同工藝的回火處理，冷卻后對(duì)試樣表面拋光1.5～2mm，然后在布氏硬度機(jī)上檢測(cè)其硬度，結(jié)果見表3。

表3 不同工藝回火處理后試樣的硬度值

3.3 試驗(yàn)結(jié)果小結(jié)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，在同樣的淬火條件下，一次回火（試樣1#組、3#組、4#組、6#組、8#組）硬度很難滿足要求（≤290HBW）；從試樣3#組與4#組試驗(yàn)結(jié)果可知，一次回火保溫時(shí)間對(duì)硬度影響不大；從試樣1#組、3#組、6#組、8#組試驗(yàn)結(jié)果可知，一次回火溫度不能太高，若溫度升高，則硬度有上升趨勢(shì)；從試樣2#組、5#組、7#組、9#組試驗(yàn)結(jié)果可知，兩次回火且二次回火溫度比一次回火溫度低時(shí)，硬度下降較為明顯，均能達(dá)到要求值；從試樣5#組、7#組試驗(yàn)結(jié)果可知，一次回火溫度降低，硬度有下降趨勢(shì)。

4 試驗(yàn)結(jié)果組織機(jī)理分析

對(duì)于一次回火的 431 不銹鋼而言，在熱處理狀態(tài)下其顯微組織主要包括馬氏體相＋鐵素體相＋碳化鉻析出相＋殘留奧氏體相[3]，隨著回火溫度的升高，碳化鉻析出增加，導(dǎo)致回火溫度升高，強(qiáng)度與硬度具有升高趨勢(shì)。

對(duì)于二次回火的431不銹鋼而言，在熱處理狀態(tài)下，其顯微組織主要為回火索氏體＋少量鐵素體＋碳化物M23C6顆粒[4]，由此可推測(cè)431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)比一次回火溫度低的二次回火處理后，其硬度反而呈下降趨勢(shì)的原因，主要為二次回火時(shí)，新產(chǎn)生的板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，從而使強(qiáng)度、硬度降低。

為驗(yàn)證這一推測(cè)，選取經(jīng)二次回火處理的試樣（2#組試樣），按ASTM E112—2013《平均晶粒度測(cè)定的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的方法經(jīng)腐蝕后進(jìn)行高倍組織觀察，其組織如圖1所示。從圖1可看出，其金相組織主要為回火索氏體＋少量鐵素體＋M23C6碳化物顆粒，推測(cè)得以驗(yàn)證[5，6]。

5 產(chǎn)品熱處理結(jié)果

從表3可看出，7#組試樣硬度降低最為明顯。由于產(chǎn)品規(guī)格及壁厚大，選用與7#組試樣相同的熱處理制度，即淬火（990℃）＋一次回火（720℃）＋二次回火（660℃）。產(chǎn)品按以上制度進(jìn)行熱處理后，其硬度檢測(cè)結(jié)果見表4。其晶粒度為6～6.5級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)要求3級(jí)或更細(xì)）。產(chǎn)品經(jīng)新的制度進(jìn)行淬火＋二次回火處理后，其硬度及奧氏體晶粒度均滿足技術(shù)條件的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)淬火后一次回火處理，其組織主要為馬氏體相＋鐵素體相＋碳化鉻析出相＋殘留奧氏體相，隨著回火溫度升高，碳化鉻析出增加，其強(qiáng)度硬度有上升趨勢(shì)。

2）431不銹鋼鍛件在經(jīng)過(guò)淬火后二次回火處理，其顯微組織主要為回火索氏體＋少量鐵素體＋M23C6碳化物顆粒。在經(jīng)過(guò)比一次回火溫度低的二次回火處理后，原板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織，從而使強(qiáng)度、硬度降低。

3）通過(guò)試驗(yàn)及機(jī)理分析可知，要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的硬度值≤290HBW，一次回火溫度不能太高或太低，區(qū)間為700～740℃最佳，二次回火需比一次回火溫度低，區(qū)間為660～690℃。