奧氏體沉淀硬化不銹鋼0Crl2Mn5Ni4M03A1熱處理工藝研究

【摘要】OCrl2Mn5Ni4Mo 3A1為節(jié)鎳型半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，是介于馬氏體沉淀硬化不銹鋼與奧氏體沉淀硬化不銹鋼之間的一種過渡型沉淀硬化不銹鋼。它既具有馬氏體沉淀硬化不銹鋼的超高強(qiáng)度，又具有奧氏體沉淀硬化不銹鋼的高韌性及良好的成型加工性。該種材料熱處理工藝參數(shù)復(fù)雜、可變因素很多，必須研究出固溶溫度、時(shí)間，冷處理溫度、時(shí)間，時(shí)效溫度、時(shí)間對組織、硬度、韌性等性能指標(biāo)的影響規(guī)律，從而制定最佳熱處理工藝參數(shù)，最大限度的滿足某直升機(jī)零件的使用要求。

【關(guān)鍵詞】沉淀硬化不銹鋼；組織；性能指標(biāo)

【中圖分類號(hào)】TF764+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2012）09-0052-02

一、前言

0Cr12Mn5Ni4M03A1屬于過渡型奧氏體沉淀硬化不銹鋼，這類鋼的MS點(diǎn)低于室溫，固溶后為奧氏體組織，易于成型和焊接。通常可用兩種方法發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，一是固溶處理后經(jīng)700～800℃加熱，奧氏體因碳化鉻而轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)定狀態(tài)。二是固溶后直接冷卻至MS和Mf點(diǎn)之間，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。經(jīng)上述處理以后再經(jīng)400～600℃時(shí)效，使析出金屬間化合物進(jìn)一步強(qiáng)化。這類鋼也叫奧氏體一馬氏體時(shí)效不銹鋼。某直升機(jī)上的零件高壓無擴(kuò)口導(dǎo)管要求高壓力、高密封性、疲勞強(qiáng)度高、防腐能力強(qiáng)，它采用了這種新型材料——半奧氏體沉淀硬化不銹鋼0Crl2Mn5Ni4M03A1制造，這在國內(nèi)飛機(jī)上尚無前例。本課題目的是通過實(shí)驗(yàn)找到一種合理的熱處理工藝，通過對固溶處理、冷處理和時(shí)效處理的溫度及保溫時(shí)間對0Crl2MnSNi4M03A1鋼的機(jī)械性能的影響。對0Crl2MnSNi4M03A1鋼進(jìn)行金相組織分析和物相分析找到一種合理的熱處理工藝，而使0Crl2Mn5Ni4M03A1鋼滿足零件使用要求。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1、熱處理工藝試驗(yàn)

1.1 材料和試驗(yàn)設(shè)備

φ6×5倍的標(biāo)準(zhǔn)試樣

φ16×12硬度及金相試樣

材料：0Crl2Mn5Ni4M03A1（退火狀態(tài)）

1.2 熱處理工藝參數(shù)選擇

1.2.1 固溶處理溫度及保溫時(shí)間

從生產(chǎn)應(yīng)用角度出發(fā)，為了考察固溶處理溫度對δ鐵、奧氏體晶粒度、以及對力學(xué)性能的影響，選取950℃、1000℃、1050℃及1100℃4個(gè)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 冷處理溫度及保溫時(shí)間

這種鋼為保持合金化不發(fā)生變化而使之產(chǎn)生馬氏體相變，進(jìn)行冷處理。冷處理溫度不同馬氏體轉(zhuǎn)變量也不同，一般推薦冷處理溫度為-78℃。本試驗(yàn)采用0℃、-20℃、-40℃、-60℃及-78℃處理后對M轉(zhuǎn)變量及時(shí)效后對性能的影響進(jìn)行了研究。保持時(shí)間為4h。

1.2.3 時(shí)效溫度及時(shí)問

這種鋼的馬氏體由于含碳量甚低，小于0.10%C，因而強(qiáng)度和硬度不夠高，還必須通過在400℃～600℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，使強(qiáng)度得到顯著的提高，因而是這種鋼十分重要的最終熱處理工藝，它決定了最終的力學(xué)性能。即時(shí)效溫度越高，達(dá)到時(shí)效峰值的時(shí)間就越短，再延長就會(huì)產(chǎn)生過時(shí)效；反之就越長，不易出現(xiàn)過時(shí)效。為了便于對比，采用了固定的時(shí)效時(shí)間2h，即在400℃～600℃溫度范圍內(nèi)時(shí)效時(shí)間均為保溫2h。

三、分析與討論

1、固溶處理溫度對δ-Fe數(shù)量及奧氏體晶粒度的影響

1.1 對δ-Fe的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：無論950℃，還是1100℃固溶處理的試樣，均難以發(fā)現(xiàn)δ-Fe的存在。δ-Fe的細(xì)小分散，不會(huì)對鋼的強(qiáng)度帶來明顯影響。

1.2 對奧氏體晶粒大小的影響

通過950℃、1000℃、1050℃及1100℃×40Min固溶處理對晶粒大小的觀察表明：950℃已開始晶粒不均勻長大，1000℃時(shí)很不均勻，大小差別較大；1050℃時(shí)，小晶粒逐漸消失，晶粒趨于均勻；1100℃時(shí)基本形成均勻的奧氏體晶粒，大小約為4級，少量為5級。一般推薦的固溶處理溫度為1050℃，晶粒大小為5～6級。1000℃時(shí)則為6～7級。

2、不同冷處理溫度對馬氏體轉(zhuǎn)變量的影響

金相試樣表明殘余奧氏體量，固溶溫度低者少，反之則較多。為保證整體各部位性能均勻一致，宜采用-78℃冷處理。如欲獲得不同的強(qiáng)度和硬度時(shí)，只宜通過采用不同的時(shí)效溫度來調(diào)整，不宜采用不同的冷處理溫度來得到。

3、時(shí)效溫度對金相組織的影響

金相觀察表明，不同溫度時(shí)效后的金相組織看不出明顯差別。但硬度測定表明，不同溫度時(shí)效后的硬度值相差較大。

4、工藝參數(shù)對性能的影響

4.1 不同固溶處理溫度對硬度的影響

原始試樣的硬度值為18HRC。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，950℃固溶處理的試件硬度較低，僅15.7HRC。1000℃固溶處理后為18.5HRC，仍比1050℃及1100℃固溶處理的低，后者為20.4HRC至20.7HRC。

但經(jīng)-78℃冷處理后，4個(gè)溫度固溶處理的試樣硬度基本相同，增高至41.5±0.3HRC。

4.2 不同冷處理溫度對硬度和拉伸性能的影響

A：冷處理溫度越高，冷處理后馬氏體轉(zhuǎn)變量越少，殘余奧氏體量越多，因而相應(yīng)的硬度也就越低。

B：在-40℃以下冷處理對σ b影響不大，但對σ0.2則有較大的影響。

4.3 不同時(shí)效溫度對硬度和拉伸性能的影響

不同固溶處理溫度（1000℃、1050℃及1100℃）的三條時(shí)效曲線，其硬度隨時(shí)效溫度變化的規(guī)律完全相同。430℃因時(shí)效溫度低，處于欠時(shí)效階段，硬度不足。480℃、520℃處于峰值時(shí)效階段，硬度處于曲線峰值，而以480℃處理后硬度最高。560℃、590℃處于過時(shí)效階段，隨著時(shí)效溫度的增高，硬度以較快的速度下降。三條曲線的硬度十分接近，沒有明顯差別。

對于斷面收縮率ψ來說，在固溶處理后480℃時(shí)效最低，520℃居中，560℃處理后又進(jìn)一步提高。

對于延伸率δ5來說，變化規(guī)律不如ψ那么明顯，1000℃固溶處理后的較低，1050℃與1100℃兩組數(shù)據(jù)相差不大。

5、微觀組織分析

從金相照片可以看出，不同時(shí)效溫度處理后金相組織看不出明顯差別，為此，進(jìn)行了透解電鏡觀察。

由TEM觀察可知，欲獲得最佳的性能，不僅要考慮時(shí)效溫度還應(yīng)考慮固溶溫度，使固溶溫度與時(shí)效溫度良好的配合才能獲得最佳的處理效果，即優(yōu)良的力學(xué)性能。

四、結(jié)論

1、在1000℃～1050℃之間固溶處理時(shí)，它的奧氏體晶粒大小不太均勻，處于不均勻長大過程中，晶粒度約在5～7級之間范圍內(nèi)變化；

2、由于殘余奧氏體呈塊狀存在，為避免出現(xiàn)軟點(diǎn)，冷處理溫度宜采用-78℃，不宜采用高于此溫度的冷處理；

3、固溶處理溫度和時(shí)效溫度對性能均有明顯影響，通過試驗(yàn)得出：

4、最佳固溶處理溫度范圍為1000℃～1050℃，一般情況下1050℃為其上限溫度；最佳時(shí)效溫度為480℃～520℃，520℃為其上限時(shí)效溫度。