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    3. CRONIDUR30高氮不銹鋼的熱處理工藝及組織和性能

      CRONIDUR30高氮不銹鋼是一種新型高氮、高韌性和高強(qiáng)度馬氏體不銹軸承用鋼。研究用高氮CRONIDUR30不銹鋼的主要成分為0.316%C、14.89%Cr、0.986%Mo、0.425%Mn、0.697%Si、0.207%Ni和0.435%N(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。對14mm×5mm的CRONIDUR30高氮不銹鋼試樣進(jìn)行了1010℃、1020℃、1030℃、1040℃和1050℃油淬、-150℃深冷處理和-85℃冷處理以及160℃、180℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃回火,檢測了經(jīng)不同工藝熱處理的鋼的硬度和顯微組織。結(jié)果表明:經(jīng)1025℃油淬、-85℃冷處理和470℃回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度高于60HRC,組織為回火馬氏體、細(xì)小均勻的氮化物和碳化物及小于5%的殘留奧氏體,能滿足高端軸承的性能要求。

      CRONIDUR30高氮不銹鋼是一種用于制造高精度元器件的高氮馬氏體不銹鋼,由德國埃森能源技術(shù)有限公司開發(fā),采用PESR(高壓電渣重熔)等先進(jìn)工藝生產(chǎn),這種鋼組織均勻細(xì)小,純凈度高,具有良好的機(jī)加工性能和較高的尺寸穩(wěn)定性。以氮取代部分碳使鋼的耐蝕性和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)熔煉的冷作鋼。CRONIDUR30高氮不銹鋼的耐蝕性遠(yuǎn)好于9Cr18Mo鋼,CRONIDUR30高氮不銹鋼軸承壽命是Cr4Mo4V鋼的4.4倍,因此被應(yīng)用于航空航天的主軸和球軸承等零部件。

      要求精度高、使用壽命長的慣導(dǎo)軸承采用CRONIDUR30高氮不銹鋼制作,要求硬度60HRC以上,殘留奧氏體含量小于5%。有關(guān)資料表明,目前僅個別國外先進(jìn)軸承企業(yè)能達(dá)到58~60HRC的硬度,但殘留奧氏體含量約為7%~8%。本文試驗研究了CRONIDUR30高氮鋼的熱處理工藝,包括淬火、深冷處理、冷處理以及回火,檢測了不同工藝熱處理后鋼的顯微組織和硬度,確定了CRONIDUR30高氮鋼的最佳熱處理工藝。

      1試驗材料與方法

      試驗用CRONIDUR30高氮鋼的主要化學(xué)成分見表1。試樣尺寸為14mm×5mm。對試樣分別進(jìn)行不同工藝的熱處理,隨后檢測其硬度和顯微組織。試樣的退火態(tài)組織如圖1所示。

      淬火設(shè)備為WZC20真空爐,淬火溫度分別為1010℃、1020℃、1030℃、1040℃和1050℃,保溫70min油冷。

      深冷處理設(shè)備為DC50L深冷箱,深冷溫度-150℃,時間1h;鼗鹪O(shè)備為CYH8812干燥箱,回火溫度分別為160℃、180℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃和600℃,保溫4h空冷。

      金相試樣用三氯化鐵酒精溶液浸蝕。采用HRS150數(shù)顯洛氏硬度計測定硬度,每個試樣測3點取平均值。殘留奧氏體采用D/Max2200型X射線衍射儀測量,Cu靶,掃描角度范圍30°~110°,掃描速度為8°/min,工作電流250mA,工作電壓40kV。

      2試驗結(jié)果與討論

      2.1淬火溫度對硬度和組織的影響

      2.1.1淬火溫度對硬度的影響

      高氮鋼由于Ms點很低,淬火后殘留奧氏體較多,硬度較低。不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度列于表2。硬度隨淬火溫度的變化如圖2所示。

      表2和圖2表明,隨著淬火溫度的升高,鋼的硬度下降,在1010~1030℃范圍內(nèi)硬度下降比較緩慢。

      2.1.2淬火溫度對組織的影響

      圖3為不同溫度淬火后CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織。從圖3可以看出,CRONIDUR30高氮不銹鋼淬火后的組織為極細(xì)板條馬氏體、氮化物、碳化物和殘留奧氏體。

      2.1.3淬火溫度對殘留奧氏體含量的影響

      圖4為不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的XRD衍射圖譜。從圖4中可以看出,隨著淬火溫度的升高,鋼的馬氏體峰逐漸降低,奧氏體峰逐漸增強(qiáng),殘留奧氏體含量增加。

      表3和圖5為不同溫度淬火的CRONIDUR30高氮不銹鋼中的殘留奧氏體量。這些結(jié)果表明,隨著淬火溫度的升高,鋼中殘留奧氏體量增加。

      2.1.4淬火溫度對硬度的影響

      隨著淬火溫度的升高,碳化物、氮化物的溶解使奧氏體的碳、氮含量提高,鋼淬火后的硬度升高,但Ms點降低,因此殘留奧氏體量也增多,導(dǎo)致硬度降低,還會惡化零件的尺寸穩(wěn)定性。為此,需進(jìn)行冷處理甚至深冷處理,以減少殘留奧氏體量。

      2.2深冷處理對硬度、組織和殘留奧氏體量的影響

      2.2.1對硬度的影響

      表4列出了從不同溫度淬火隨后于-150℃深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度,淬火態(tài)和淬火并深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度隨淬火溫度的變化如圖6所示。

      由表4可以看出,隨著淬火溫度的升高,深冷處理后鋼的硬度先略有上升后下降。圖6表明,從不同溫度淬火的鋼,深冷處理后硬度均高于未經(jīng)深冷處理的鋼。

      2.2.2深冷處理對顯微組織的影響

      從不同溫度淬火隨后深冷處理的CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織如圖7所示。圖7表明,深冷處理使殘留奧氏體明顯減少,馬氏體量最增多。圖8為經(jīng)不溫度淬火、-150℃深冷處理和回火的鋼的XRD圖譜。從圖8可以看出,隨著淬火溫度的升高,-150℃深冷處理、回火后馬氏體峰降低,奧氏體峰增強(qiáng),殘留奧氏體量增加。表5為不同溫度淬火隨后深冷處理的鋼的殘留奧氏體含量。表5數(shù)據(jù)表明,隨著淬火溫度的升高,深冷處理后殘留奧氏體量增多。從1030℃以下溫度淬火的鋼殘留奧氏體量較少,因此深冷處理對硬度影響不大;從更高溫度淬火后,組織中有較多的殘留奧氏體,深冷處理使部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而提高鋼的硬度。

      2.3回火溫度對硬度的影響

      圖9為1030℃淬火隨后-150℃深冷處理的鋼的硬度隨回火溫度的變化?梢钥闯,在350℃以下回火時,硬度隨著回火溫度的升高而降低。此后硬度隨回火溫度的升高而升高,并在450~500℃時達(dá)到最大值,約為60.5HRC。500℃以上回火時,鋼的硬度隨回火溫度的升高急劇降低。

      低溫回火時,馬氏體析出細(xì)小的氮化物和碳化物使馬氏體的晶格畸變減小,硬度下降。但由于回火溫度較低,析出的碳化物較少,鋼仍保持高硬度。

      雖然殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體使硬度升高,但其含量很少,因此隨著回火溫度的升高硬度降低。在350~500℃回火時,碳化物逐漸析出,硬度升高,并在450~500℃產(chǎn)生二次硬化。回火溫度進(jìn)一步提高,更多碳化物和氮化析出,鋼的硬度急劇下降。

      3熱處理新工藝

      3.1工藝

      根據(jù)以上試驗結(jié)果,制訂了CRONIDUR30高氮不銹鋼的熱處理新工藝,如圖10所示。

      淬火設(shè)備仍為WZC20真空油淬爐,裝爐量≤8kg,真空度≤1.3×10Pa。分段加熱,第一段為630℃×15min,第二段為850℃×15min。淬火溫度為1025℃,油淬,油溫40℃并攪拌。淬火時工件入油后立即向冷室充入0.4MPa氮氣,使真空淬火油表面保持一定的壓力確保淬火冷卻速度。

      淬火后應(yīng)在0.5h內(nèi)進(jìn)行-85℃冷處理,在5min內(nèi)從室溫降至-85℃,保溫70min。隨后將試樣在50min內(nèi)升溫至室溫。

      采用油槽或WZDJQ20氣淬真空爐回火,回火溫度為170℃、470℃。470℃回火時充少量氮氣,防止表面脫氮;鼗饍纱蚊看危玻。

      3.2結(jié)果

      3.2.1硬度

      淬火態(tài)、淬火后冷處理及淬火、冷處理后經(jīng)不同工藝回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的硬度列于表6。

      3.2.2顯微組織

      淬火態(tài)、淬火后冷處理及淬火、冷處理后經(jīng)不同工藝回火的CRONIDUR30高氮不銹鋼的顯微組織如圖11所示,殘留奧氏體含量列于表7,XRD圖譜如圖12所示。

      從以上結(jié)果可以看出,170℃兩次回火的鋼的硬度比一次回火的鋼低,說明170℃×2h回火不充分,不能同時達(dá)到硬度和殘留奧氏體含量的要求。而470℃兩次回火的鋼硬度達(dá)60.6HRC,殘留奧氏體含量為6.9%。

      4產(chǎn)品試制

      4.1熱處理工藝

      根據(jù)以上試驗結(jié)果確定CRONIDUR30高氮不銹鋼軸承的熱處理工藝如圖13所示。

      4.1.1淬火

      加熱室真空度≤1.3×10Pa。630℃×15min+850℃×15min分段加熱,1025℃×45min油淬,并沖入0.4MPa氮氣。

      4.1.2冷處理

      -85℃保溫70min,以≤2℃/min回升至20℃保溫10min。

      4.1.3回火

      470℃×2h,2次。

      4.2結(jié)果

      4.2.1硬度

      熱處理后軸承的硬度如表8所示。

      4.2.2顯微組織

      軸承淬火、回火后的組織為回火馬氏體、少量細(xì)小分布均勻的氮化物、碳化物和少量殘留奧氏體,如圖14所示,殘留奧氏體含量列于表9,XRD圖譜如圖15所示。

      4.2.3脫碳層

      淬火加熱過程中,軸承發(fā)生了脫碳,脫碳層深度0.01~0.03mm,如圖16所示。

      5結(jié)論

      (1)從1010~1050℃淬火的高氮CRONIDUR30高氮不銹鋼,隨著淬火溫度的升高,硬度下降,殘留奧氏體含量增加。

      (2)從1010~1050℃淬火隨后深冷處理后,硬度上升,隨著淬火溫度的升高,深冷處理后硬度顯著提高。從1025℃淬火后深冷處理的鋼,在170℃和470℃回火后硬度最高,均高于60HRC,470℃回火時出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象。

      (3)1025℃淬火、-85℃冷處理隨后470℃回火是CRONIDUR30高氮不銹鋼較合適的熱處理工藝,熱處理后硬度高于60HRC,殘留奧氏體含量小于5%。

      文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管-浙江至德鋼業(yè)有限公司

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