回火溫度對1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊性能的影響

孫 奇, 張立新, 韋廷立, 張 穎, 于 湃, 劉天釗, 張 闖(中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 技術中心理化所, 沈陽 110043)

回火溫度對1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊性能的影響

孫 奇, 張立新, 韋廷立, 張 穎, 于 湃, 劉天釗, 張 闖
(中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 技術中心理化所, 沈陽 110043)

在某廠日常檢測中，有多爐批次1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材出現沖擊韌度不合格的現象。為了找到不合格的原因，從化學成分、熱處理制度方面來展開分析，并進行了比對試驗。結果表明：熱處理回火溫度是影響1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊韌度的主要因素；回火溫度選擇在540～590 ℃的1Cr11Ni2W2MoV鋼試樣沖擊韌度全部合格，回火溫度選擇在660～710 ℃的試樣沖擊韌度部分不合格。選擇回火溫度為540～590 ℃，可提高材料的合格率，確保生產進度。

1Cr11Ni2W2MoV鋼；沖擊韌度；回火溫度

1Cr11Ni2W2MoV鋼是馬氏體型熱強不銹鋼，其室溫拉伸強度、持久強度極限及蠕變極限均較高，并有良好的韌性和抗氧化性;同時該鋼的工藝塑性和焊接性能良好，可以制造形狀復雜的模鍛件和焊接結構件，適用于550 ℃以下及高濕條件下工作的承力件，通常用作飛機發動機的拉桿、螺栓、密封環、襯筒、銷軸等。顯微組織是鋼材力學性能的決定因素，鋼材的力學性能與其組織狀態有著強烈的依存關系。因此探討熱處理制度對顯微組織的影響，掌握材料沖擊性能的影響機制，對提高鋼材的沖擊性能，進而提高鋼材使用的安全性具有至關重要的作用。

某鋼廠生產的1Cr11Ni2W2MoV鋼在進行熱處理時，嚴格按照GJB 2294-1995[1]中的Ⅰ組熱處理制度執行，但在該材料進行入廠原材料復驗時，多批次棒材出現沖擊性能不合格的問題。筆者從1Cr11Ni2W2MoV鋼的化學成分、熱處理制度方面展開原因排查，進行了比對分析，以尋求1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊性能不達標的主要原因。

1 試樣制備與方法

1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的化學成分如表1所示，可見其各元素的含量均滿足GJB 2294-1995的要求。

表1 1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars (mass fraction) %

1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的力學性能應符合GJB 2294-1995的要求，標準中規定了兩組熱處理制度，即Ⅰ組和Ⅱ組熱處理制度：Ⅰ組采用1 000～1 020 ℃淬火，油冷，660～710 ℃回火后空冷；Ⅱ組采用1 000～1 020 ℃淬火，油冷，540～590 ℃回火后空冷。不同熱處理制度對應的力學性能要求見表2，室溫拉伸試驗按照GB/T 228.1-2010執行[3]。

表2 1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的室溫力學性能要求Tab.2 Requirements of mechanical properties of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

采用上述I組熱處理制度對1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材進行熱處理，各爐批次鋼采用的具體回火溫度見表3。熱處理后，按照GB/T 229-2007[2]進行沖擊試驗。

采用ZBC230-C型擺錘式沖擊試驗機測試1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊吸收能量，沖擊試驗用試樣為夏比U型缺口試樣[2]，如圖1所示。

圖1 夏比U型缺口沖擊試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of Charpy impact specimens with U type notch

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

各爐批次1Cr11Ni2W2MoV鋼采用I組熱處理制度熱處理后的沖擊性能如表3所示，可以看出，I組17爐批次1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材中有13爐批次的沖擊吸收能量不合格，不合格率達到76.5%，而合格爐批次的沖擊吸收能量富裕度也并不大。

為了確定熱處理制度對材料沖擊韌度的影響，對5爐批次的鋼重新取料采用Ⅱ組熱處理制度進行熱處理，采用不同溫度進行回火，然后測試材料的沖擊性能，結果如表4所示?？梢钥闯觯瓉斫咏鼪_擊吸收能量合格線邊緣的1Cr11Ni2W2MoV鋼采用Ⅱ組熱處理制度熱處理后，部分1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊吸收能量提高了3～4倍。對這些1Cr11Ni2W2MoV鋼進行力學性能測試，結果顯示材料的強度提高，而塑性降低了。可見回火溫度直接影響了1Cr11Ni2W2MoV鋼的綜合性能指標[4]，尤其對沖擊韌度的影響最大，可以得知沖擊韌度對金屬材料顯微組織的變化比較敏感[5]。采用Ⅱ組熱處理制度后，1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊吸收能量均大于55 J，即選用的5爐批次的試樣全部合格。

選取爐批號為2X470(沖擊吸收能量43.0 J)，3X77(沖擊吸收能量50.0 J)，3A193(沖擊吸收能量78.5 J)的沖擊試驗后的1Cr11Ni2W2MoV鋼試樣進行金相檢驗，結果如圖2～4所示?？梢钥闯觯?爐批次試樣的顯微組織均為典型的回火索氏體組織，晶粒大小基本一致，組織差別不大。

在此放大倍數下未觀察到1Cr11Ni2W2MoV鋼的顯微組織與沖擊韌度之間的關系，今后需要進行進一步的分析工作，可采用高倍數的場發射技術對試樣斷口進行組織觀察，探討組織中的強化相與沖擊韌度之間的聯系，找出其相應的規律。

2.2 討論

Ⅰ組熱處理試樣組織的晶粒度為7～8級，碳化物分散均勻，鋼中夾雜物含量在控制范圍內，均符合技術標準的要求，但沖擊韌度偏低；Ⅱ組熱處理試樣的沖擊韌度明顯提高。經分析，1Cr11Ni2W2MoV鋼要預先進行正火處理，再進行淬火及回火處理。從沖擊試驗結果分析，淬火溫度對沖擊韌度的影響并不大，而回火溫度對其有顯著的影響作用。從中國航空材料手冊[6]有關1Cr11Ni2W2MoV鋼技術資料的報道可以看出，回火溫度對1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊性能有決定性的影響。早在1965年，在1Cr11Ni2W2MoV鋼國產化時有鋼廠及科研院所進行了專項分析研究找出了回火溫度對其沖擊韌度的影響規律，并在1988年繪制了1 000～1 020 ℃淬火+不同溫度回火對沖擊韌度影響的曲線，如圖5所示。

表3 I組1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的室溫沖擊性能Tab.3 Impact property of group I of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

表4 Ⅱ組1Cr11Ni2W2MoV鋼棒材的室溫沖擊性能Tab.4 Impact property of groupⅡ of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

圖2 2X470爐批號沖擊試樣的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 2X470

圖3 3X77爐批號沖擊試樣的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 3X77

圖4 3A193爐批號沖擊試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 3A193

圖5中的曲線1由北京航空材料研究所繪制，曲線2由新都機械廠繪制，曲線3由撫順鋼鐵廠繪制。直線段表示技術標準中規定的沖擊吸收能量標準下限(71 J)換算的沖擊韌度下限(887.5 kJ·m-2)，沖擊韌度在直線段以上的數據為合格，在直線段以下的為不合格。由圖5可見，隨著回火溫度的改變，1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊韌度波動較大，回火溫度在430～520 ℃時，3條曲線均在標準下限直線段之下，沖擊韌度不能滿足標準要求；回火溫度在550～580 ℃時，3條曲線均在標準下限直線段之上，沖擊韌度合格；回火溫度在590～690 ℃時，3條曲線均處于波谷，沖擊韌度有不合格的可能，其中北京航空材料研究院繪制的曲線就在標準下限直線段之下；若回火溫度在690 ℃以上，3條曲線均在標準值曲線之上，沖擊韌度則合格。

圖5 回火溫度對1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊韌度的影響曲線Fig.5 Impact toughness curves of 1Cr11Ni2W2MoV steel influenced by tempering temperature

3 結論及建議

(1) 1Cr11Ni2W2MoV鋼的沖擊韌度與回火溫度沒有線性關系。其沖擊韌度隨著回火溫度的增加呈大幅波動趨勢。采用Ⅰ組回火溫度660～710 ℃進行回火處理，在此溫度范圍內部分鋼材的沖擊韌度達不到技術標準≥71 J的要求，從而出現不合格現象。

(2) 在保證材料安全使用的前提下，采用Ⅱ組回火溫度540～590 ℃進行回火處理，沖擊韌度均能夠達到技術標準≥55 J的要求，材料全部合格。

(3) 1Cr11Ni2W2MoV鋼沖擊韌度是否合格是依據相關國家技術標準中關于沖擊韌度的指標來判定的。但復驗時技術協議中選擇熱處理制度的合理性值得商榷，需要積累更多的試驗數據來進行判別和修訂。

[1] GJB 2294-1995 航空用不銹鋼及耐熱鋼規范[S].

[2] GB/T 229-2007 金屬夏比擺錘沖擊試驗方法[S].

[3] GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

[4] 徐杏杏，何軍剛，胡鍇，等.1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼沖擊性能不合格原因探討[J].理化檢驗-物理分冊，2014,50(8):596-598.

[5] 劉海斌.金屬材料沖擊韌性的分析[J].經濟技術協作信息,2016(4):89-89.

[6] 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊結構鋼不銹鋼[M].北京:中國標準出版社,1988.

Effect of Tempering Temperature on Impact Toughness of 1Cr11Ni2W2MoV Steel

SUN Qi, ZHANG Li-xin, WEI Ting-li, ZHANG Ying, YU Pai, LIU Tian-zhao, ZHANG Chuang
(Technology Center Physicochemical Research Institute, China Aviation Shenyang Liming Aviation Engine Co., Ltd., Shenyang 110043, China)

During daily testing in one plant, the impact toughness of multi furnace batches of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars was found unqualified. To find the reasons for disqualification, analysis was carried out from the aspects of chemical composition and heat treatment regime, and the comparative tests were done. The results show that: the tempering temperature of heat treatment was the main factor affecting the impact toughness of 1Cr11Ni2W2MoV steel; the impact toughness of the 1Cr11Ni2W2MoV steel specimens was all qualified when the tempering temperature was 540-590 ℃; the impact toughness of some 1Cr11Ni2W2MoV steel specimens was not qualified when the tempering temperature was 660-710 ℃. The qualified rate of the material could be improved and the production schedule could be ensured by selecting tempering temperature as 540-590 ℃.

1Cr11Ni2W2MoV steel; impact toughness; tempering temperature

2016-06-25

孫 奇(1962-)，男，高級工程師，主要從事金屬材料力學性能檢測、飛機發動機故障件分析、試驗工裝研制等工作，zhangruiying518@163.com.cn。

10.11973/lhjy-wl201703004

TG115.2

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1001-4012(2017)03-0165-04