興 超 姚 娜

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 濟(jì)源 459000)

目前，國(guó)內(nèi)高性能閥片鋼的研究和生產(chǎn)力量還比較薄弱，高端空調(diào)用閥片鋼大都依賴進(jìn)口。在此，我們針對(duì)閥片鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用淬火、回火等方式對(duì)閥片鋼進(jìn)行處理[1-5]，以改善其組織，提高其力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)中所用原材料試樣采用SS716閥片鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)閥片鋼化學(xué)成分確定原材料的加入量，按照感應(yīng)電爐每爐6 kg金屬量的配比進(jìn)行冶煉，各成分的加入量計(jì)算式如下：

計(jì)算出原材料的加入量，如表2所示。

表1 SS716閥片鋼化學(xué)成分

表2 原材料加入量

1.2 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)所用主要器材有：(1) 真空感應(yīng)電弧爐；(2) 二輥軋機(jī)；(3) 鉬絲切割機(jī)(型號(hào)為DK7725)；(4) 箱式電阻爐(型號(hào)SX13)；(5) 各型號(hào)金相砂紙一張(120#、240#、400#、600#、800#)；(6) 拋光機(jī)(型號(hào)PG-1型)，拋光劑，拋光布；(7) 腐蝕劑(4%硝酸、酒精)；(8) 棉簽，橡膠手套，電吹風(fēng)；(9) 金相顯微鏡；(10) 洛氏硬度計(jì)。

1.3 試驗(yàn)步驟

(1) 冶煉。在真空感應(yīng)電弧爐中冶煉SS716閥片鋼，使用二輥軋機(jī)對(duì)其進(jìn)行熱軋工藝試驗(yàn)。首先，將鋼錠加熱到1 250 ℃，保溫2 h以保證鋼錠溫度均勻；然后，進(jìn)行軋制，總共軋制4刀，鋼錠軋制的下壓量為17 mm，初軋溫度約為1 150 ℃，終軋溫度約為900 ℃，空冷至室溫；最后，將鋼錠軋制成10 mm厚的鋼材，采用不同的熱處理工藝對(duì)其進(jìn)行熱處理。完成以上工作后，取鋼材試樣，用洛式硬度儀測(cè)試其硬度，用金相顯微鏡觀察其內(nèi)部組織。閥片鋼在真空感應(yīng)爐內(nèi)的冶煉工藝流程如圖1所示。

圖1 閥片鋼在真空感應(yīng)爐內(nèi)的冶煉工藝流程

(2) 熱處理。首先，在電阻爐中將軋制好的試樣分別在1 020、1 050、1 080、1 100、1 130 ℃高溫下進(jìn)行淬火處理，保溫時(shí)間為1 h；然后，待油冷10 min后再對(duì)試樣進(jìn)行回火處理，回火溫度為250、300、350、450、550 ℃，在各回火溫度條件下分別保溫1.5、2.5、3.5 h；最后，對(duì)其進(jìn)行空冷處理。

完成以上步驟后，分析不同熱處理工藝對(duì) SS716 閥片鋼組織、性能的影響，檢測(cè)對(duì)比試樣顯微組織和物理性能，從而確定最佳熱處理工藝。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 淬火溫度對(duì)SS716閥片鋼硬度的影響

在1 020 ～ 1 130 ℃淬火溫度下， SS716閥片鋼硬度的變化如圖 2所示。隨著淬火溫度的升高， SS716閥片鋼的硬度值先升高后降低，在淬火溫度升至1 080 ℃時(shí)達(dá)到最大硬度值(49.7 HRC)。在 1 020～1 080 ℃淬火溫度下，閥片鋼的硬度值逐漸升高，從48.8 HRC上升到49.7HRC。當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 080 ℃后，閥片鋼的硬度值從49.7 HRC下降到42 HRC。在1 100 ～ 1 130 ℃淬火溫度下，閥片銅的硬度值從48 HRC快速下降到42 HRC。當(dāng)回火條件相同時(shí)，在1 080 ℃淬火溫度下閥片鋼的硬度值最高。

經(jīng)高溫淬火后的SS716閥片鋼組織如圖3所示：淺白色不規(guī)則區(qū)域?yàn)轳R氏體結(jié)構(gòu)，占大多數(shù)；顏色發(fā)暗的規(guī)則區(qū)域?yàn)閵W氏體；點(diǎn)狀黑色區(qū)域?yàn)殡s質(zhì)。在1 020～1 080 ℃淬火溫度區(qū)間，由于加熱溫度較低，奧氏體晶粒細(xì)小，組織中含有大量的未溶碳化物

圖2 不同淬火溫度下SS716閥片鋼硬度的變化

(見圖3a)，因此奧氏體分布不均勻，形成許多含碳量不同的微小區(qū)域。在碳含量少的區(qū)域可形成隱晶馬氏體，這些晶粒細(xì)小而呈黑色圓球形； 在碳含量多的區(qū)域可形成孿晶馬氏體，這些孿晶馬氏體不易浸蝕而呈白亮網(wǎng)狀分布。在1 080 ℃高溫下淬火之后，奧氏體晶粒變大，出現(xiàn)了由許多束尺寸大致相同、近似平行排列的細(xì)板條組成的組織。各束板條之間的角度較大，是由板條馬氏體、孿晶馬氏體和少量未溶碳化物所組成，具有明顯的板條狀馬氏體特征(見圖3b)。馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要由高密度纏結(jié)的位錯(cuò)組織所組成，數(shù)量較多的板條馬氏體內(nèi)部位錯(cuò)密度較高，位錯(cuò)纏結(jié)成胞狀，但其分布不均勻，部分孿晶馬氏體線條清晰可見。經(jīng)1 100℃以上高溫加熱淬火后，鋼組織呈針狀，試樣組織有所增大，晶界較為明顯，其組織為粗大的板條馬氏體和殘留奧氏體(見圖3c)。

圖3 不同淬火溫度下的SS716閥片鋼組織

2.2 回火溫度對(duì)SS716閥片鋼硬度的影響

將經(jīng)1 080 ℃高溫淬火后的試樣保溫1h，然后分別在 250 、300 、350 、450 、550 ℃條件下回火1.5 h，并冷卻至室溫。不同回火溫度下的SS716閥片鋼硬度如圖4所示。在 250～450 ℃，閥片鋼硬度變化不大，介于49.1～49.4 HRC；但當(dāng)溫度達(dá)到550 ℃時(shí)，閥片鋼硬度急劇下降至40 HRC。這主要是因?yàn)?，?jīng)淬火后閥片鋼中出現(xiàn)了不穩(wěn)定的淬火馬氏體和殘留奧氏體，而在回火過程中馬氏體發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)變奧氏體和碳化物的析出。逆轉(zhuǎn)變奧氏體作為一種韌性相，其含量的變化直接影響試驗(yàn)鋼的硬度、強(qiáng)度及韌性。隨著回火溫度的升高，回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)變奧氏體的驅(qū)動(dòng)力逐漸增加，逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量也逐漸增多。

圖4 不同回火溫度下的SS716閥片鋼硬度變化

當(dāng)回火溫度為250～300 ℃時(shí)，殘余奧氏體分解為回火馬氏體；當(dāng)回火溫度為300 ～ 450 ℃時(shí)，淬火馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w(α相與極細(xì)碳化物的混合物)，硬度值升高；當(dāng)回火溫度為450～600 ℃時(shí)，淬火馬氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w(α相與微細(xì)碳化物的混合物)，硬度值降低。

另外，析出的碳化物變大，導(dǎo)致閥片鋼的強(qiáng)度降低。隨著回火溫度繼續(xù)升高，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性下降，并在冷卻過程中重新轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。因此，在回火過程中存在一個(gè)最佳溫度，使組織中的逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量最多、硬度值最高。分析認(rèn)為，回火溫度以450 ℃為宜。

2.3 回火保溫時(shí)間對(duì)SS716閥片鋼硬度的影響

經(jīng)1 080 ℃淬火后保溫1 h，然后經(jīng)300 ℃回火分別保溫1.5、2.5、3.5 h，并冷卻至室溫。不同回火保溫時(shí)間下的SS716閥片鋼硬度變化如圖5所示。隨著回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的硬度值不斷升高。保溫1.5～2.5 h硬值值增幅較大，從48.8 HRC增至49.4 HRC；保溫2.5～3.5 h強(qiáng)度值增幅不大，僅從49.4 HRC增至49.5 HRC。

圖5 不同回火保溫時(shí)間下的SS716閥片鋼硬度變化

不同回火保溫時(shí)間下的SS716閥片鋼金相組織如圖6所示。經(jīng) 1 080 ℃高溫淬火后，先保溫 1 h，然后在300 ℃條件下回火。在此過程中，隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物顆粒變小、分布均勻，基體組織變?yōu)榧?xì)小的回火馬氏體，所以硬度增大。但當(dāng)回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)到2.5 h時(shí)，硬度值升幅開始逐漸變小。這主要是因?yàn)?，隨著回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，析出碳化物體積變大而使得材料強(qiáng)度下降，當(dāng)析出碳化物數(shù)量增多時(shí)又使得材料的強(qiáng)度增大，因此強(qiáng)度變化幅度在該保溫時(shí)間段比較穩(wěn)定；同時(shí)，馬氏體板條的細(xì)化也使閥片鋼的強(qiáng)度得以加強(qiáng)?？傮w上，硬度變化不大。

圖6 不同回火保溫時(shí)間下的SS716閥片鋼金相組織

3 結(jié) 語

(1) 當(dāng)其他熱處理?xiàng)l件相同時(shí)，隨著淬火溫度的升高，鋼材的硬度值先升高后降低。當(dāng)淬火溫度達(dá)到1 080 ℃時(shí)，閥片鋼的硬度值最高，達(dá)到49.7 HRC。

(2) 隨著回火溫度升高，鋼材的硬度值先升高后降低。當(dāng)回火溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，閥片鋼的硬度值最大，達(dá)到49.4 HRC。隨著回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼材的硬度值變化不大。

(3) 最佳的熱處理?xiàng)l件是淬火溫度1 080 ℃、回火溫度450 ℃、回火保溫時(shí)間3.5 h，此時(shí)鋼材的硬度值最高。