亞溫淬火對(duì)T217鋼性能的影響

牛立群 解明 魏海東 李偉

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

亞溫淬火對(duì)T217鋼性能的影響

牛立群 解明 魏海東 李偉

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

通過對(duì)亞共析鋼T217鋼分別采取淬火+回火和淬火+亞溫淬火+回火處理,探討這兩種工藝和亞溫淬火的溫度和保溫時(shí)間對(duì)亞共析鋼T217鋼性能的影響,最后找出T217鋼最佳亞溫淬火熱處理工藝。本文對(duì)于T217鋼類似的鋼種亞溫淬火熱處理工藝的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

亞溫淬火 T217鋼 熱處理 力學(xué)性能

鋼熱處理的主要工藝過程是加熱和冷卻。對(duì)于絕大多數(shù)熱處理工藝而言，不論在加熱和冷卻過程中材料化學(xué)成分是否發(fā)生變化，都是通過改變材料的力學(xué)性能或物理性能、化學(xué)性能來改善材料的加工工藝性能或工件的服役能力[1]。低溫沖擊韌性作為材料的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，低溫沖擊性能是低溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材的重要依據(jù)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。為了防止低溫設(shè)備的脆性破壞，提高設(shè)備的可靠安全性，一般要求低溫用材具有高的低溫韌性[2]。本文以T217鋼在低溫環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，研究了經(jīng)兩種不同工藝熱處理的T217鋼在-40和-20℃下的沖擊性能?；诖吮疚膶?duì)T217鋼經(jīng)過亞溫淬火處理的性能進(jìn)行研究，為T217鋼亞溫淬火的熱處理工藝的制定提供技術(shù)參考。

表1 T217鋼原始成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 T217鋼亞溫淬火與調(diào)質(zhì)處理工藝獲得力學(xué)性能的比較

1 材料的實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的原料為鑄態(tài)的T217鋼。試樣的化學(xué)成分見表1。

1.2 熱處理方案

(1)對(duì)T217鋼進(jìn)行880℃保溫2小時(shí)，然后進(jìn)行水淬水冷。

(2)然后將淬火后的試樣進(jìn)行不同溫度(780、800和830℃)和不同保溫時(shí)間2h、3h和5h的亞溫淬火，最后將所有的試樣在560℃下保溫3h進(jìn)行高溫回火。

1.3 沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)前檢查擺錘空擋是否為零，其偏差不應(yīng)超過最小分度值的四分之一，試驗(yàn)溫度選為-20℃和-40℃兩種情況，分別測得試樣在一次沖擊載荷下折斷時(shí)的沖擊吸收功AK(J)。

1.4 拉伸試樣

參照GBT228-2002拉伸試樣國家標(biāo)準(zhǔn)，采用Instron-5569型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫壓縮力學(xué)性能測試。分別測得屈服強(qiáng)度(Rel)和抗拉強(qiáng)度(Rm)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 亞溫淬火與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的比較

傳統(tǒng)上一般采用淬火+高溫回火(調(diào)質(zhì)處理)來改變的鋼的性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式AC3(℃)=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W-(30Mn+11Cr+20Cu-700P-400Al-120As-400Ti，把T217鋼的成分代入，算出AC3的溫度大約為830℃，所以T217鋼的淬火溫度一般為880℃左右。亞溫淬火是一種新型的、利用超細(xì)化復(fù)合組織強(qiáng)韌化的熱處理工藝[3]。表2給出了T217鋼亞溫淬火工藝與傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理工藝所獲得力學(xué)性能的比較。由表2可知T217鋼880℃淬火+800℃亞溫淬火+560℃回火處理強(qiáng)度和塑性高于880℃?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)質(zhì)處理的各項(xiàng)性能，而且-20和-40℃的低溫沖擊性能得到很大的提高。這說明了，亞溫淬火對(duì)合金的低溫沖擊韌性很大的幫助。

2.2 亞溫淬火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

采用相同的預(yù)處理880℃水淬水冷，然后分別進(jìn)行780、800、830℃保溫2h水淬，進(jìn)行560℃保溫3h回火。圖1亞溫淬火溫度對(duì)T217鋼力學(xué)性能的影響。由圖1可知，T217鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著亞溫淬火的溫度增大而增大;斷面伸長率(δ)和斷面收縮率(ψ)和低溫沖擊功都在隨著亞溫淬火的溫度升高而降低。根據(jù)鐵碳相圖，在兩相區(qū)亞溫淬火保溫溫度越大，鐵素體的所占的體積分?jǐn)?shù)越少，亞溫淬火后殘留鐵素體的含量越少。由于鐵素體的強(qiáng)度低、塑性好，它所占的體積分?jǐn)?shù)必然會(huì)引起材料性能。亞溫淬火的溫度不同，淬火組織鐵素體的含量也不同[4]。亞溫淬火保留了一些殘留的鐵素體，這些鐵素體可以有效降低馬氏體中的位錯(cuò)的堆積量，吸收應(yīng)變能減小應(yīng)力集中，從而提高裂紋的形成和擴(kuò)展能力。亞溫淬火鋼的性能與殘留鐵素體的所占體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，亞溫淬火的溫度決定殘留鐵素體的數(shù)量。

圖1 亞溫淬火溫度對(duì)T217鋼力學(xué)性能的影響

圖2 亞溫淬火保溫時(shí)間對(duì)T217鋼力學(xué)性能的影響

2.3 亞溫淬火保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

爐中的工件應(yīng)在規(guī)定的加熱溫度范圍內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，保證必要的組織轉(zhuǎn)變和擴(kuò)散。保溫時(shí)間與工件的有效厚度、鋼種、裝爐方式、裝爐量、裝爐溫度、爐的性能及密封程度等因素有關(guān)[5]。采用相同的預(yù)處理880℃水淬水冷，然后進(jìn)行800℃分別保溫2、3、5h水淬，進(jìn)行560℃保溫3h回火。由圖2可知，隨著亞溫淬火保溫時(shí)間增加，T217鋼的力學(xué)性能指標(biāo)程下降的趨勢?？赡苁潜貢r(shí)間的延長會(huì)導(dǎo)致氧化脫碳，馬氏體中碳含量降低，強(qiáng)度硬度下降[6]。另一個(gè)原因就是保溫時(shí)間增加，導(dǎo)致了晶粒的粗大，根據(jù)Hall-petch公式[7]，材料的綜合力學(xué)性能指標(biāo)下降。這是因?yàn)榇执蟮木ЯＪ艿酵饬Πl(fā)生塑性變形不均勻，應(yīng)力集中大;而且晶粒越粗大，晶界面積越小，晶界取向約平直，有利于裂紋的擴(kuò)展。

3 結(jié)語

(1)與常規(guī)的調(diào)質(zhì)處理相比，亞溫淬火使T217的力學(xué)性能的指標(biāo)有很大的提高，表明亞溫淬火工藝能夠調(diào)整材料的綜合力學(xué)性能。

(2)亞溫淬火的溫度決定殘留鐵素體的數(shù)量，T217鋼隨著亞溫淬火溫度的升高，殘留鐵素體體積分?jǐn)?shù)降低，鋼的強(qiáng)度升高，塑性下降。亞溫淬火的保溫時(shí)間越長，強(qiáng)度、斷面伸長率和斷面收縮率都在下降，低溫沖擊功也在下降。

(3)T217鋼經(jīng)880℃淬火(2h)+800℃亞溫淬火(2h)+560℃高溫回火(3h)的熱處理，屈服強(qiáng)度達(dá)655MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到795MPa，-20℃和-40℃的低溫沖擊功分別達(dá)到了42J和27J。

[1]夏立芳.金屬熱處理工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2]趙義,王福.熱處理工藝對(duì)17-4PH鋼低溫沖擊性能的影響[J].金屬熱處理,2011,36(4)：21-24.

[3]張永峰,王任甫,牛繼承.亞共析鋼的亞溫淬火及其強(qiáng)韌化[J].熱加工工藝,2010,40(4)：163-166.

[4]顧曉輝,劉軍,石繼紅.亞溫淬火工藝對(duì)45鋼組織和性能的影響[J].金屬熱處理,2011,36(11)：69-72.

[5]李泉華.材料熱處理工程師資格考試指導(dǎo)書[M].北京：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理分會(huì),2008.

[6]孫嵐.加熱保溫時(shí)間對(duì)5CrMnMo鋼機(jī)械性能的影響機(jī)理[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào),1997,29(4)：48-51.

[7]Liu M Y,Shi B,Wang C,et al.Normal Hall-Petch behavior of mild steel with submicron grains[J].Materials letters,2003,5(19)：2798-2802.

Aiming at an optimized heat treatment method, two different processes, namely quenching + tempering and quenching + subcritical quenching + tempering have been carried out to investigate the effect of the processing method, subcritical quenching temperature and holding time on the property of the T217 steel. Therefore, the present research enjoys a guiding significance in the heat treatment process of T217 steel and the like .

Subcritical quenching T217 steel Heat treatment Mechanical property

牛立群,1984年生,男,黑龍江大慶人,2014年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)材料學(xué)專業(yè),助理工程師。