趙 亮

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

XM-25鋼為化學(xué)成分改進(jìn)后的一種新型馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料作為ASME規(guī)范推薦材料。由于鉻、鎳、銅、鈮含量的優(yōu)化和重新配比[1]，使得Ms點(diǎn)高于室溫，故可通過簡單的熱處理工藝使屈服強(qiáng)度達(dá)到1175 MPa以上。本文在原有固溶化+時(shí)效熱處理的基礎(chǔ)上，通過增加中間處理和深冷處理，使XM-25材料獲得更高強(qiáng)度的熱處理工藝。

1 XM-25鋼的熱處理制度及機(jī)理

XM-25鋼常規(guī)的熱處理工藝為固溶化、中間處理、深冷處理、時(shí)效處理，具體原理如下：

固溶化處理：固溶處理的目的是使鋼的組織完全奧氏體化，碳化物等析出相完全溶入到奧氏體中，使鋼盡可能的軟化。固溶化溫度通常為950～1100 ℃，根據(jù)零件尺寸適當(dāng)?shù)陌才疟貢r(shí)間后，在空氣中冷卻[2]。一般得到的金相組織為馬氏體，同時(shí)會(huì)存在少量的殘余奧氏體。固溶化溫度不能太低，否則會(huì)有碳化物殘留；固溶化溫度過高會(huì)導(dǎo)致奧氏體組織嚴(yán)重粗化，以致于冷卻后得到的馬氏體組織粗大，塑性、韌性降低。

中間處理：中間處理的目的是利用奧氏體固溶體的實(shí)際化學(xué)成分來控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)。因?yàn)榻?jīng)過固溶化處理的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在隨后的加熱過程中會(huì)析出碳化物等析出相，導(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)定性降低，冷卻時(shí)更加容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，或者可以提高沉淀硬化不銹鋼的Ms點(diǎn)。通過選擇合適的溫度和保溫時(shí)間，可以控制Ms點(diǎn)達(dá)到室溫以上某一溫度，以便鋼經(jīng)過冷卻到室溫時(shí)幾乎獲得全部的馬氏體組織。

深冷處理：將材料在低于室溫的某個(gè)溫度下進(jìn)行保溫，通過殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變和碳化物的析出，有效地提高材料的強(qiáng)度[3]。

時(shí)效處理：時(shí)效處理是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼的最終熱處理手段，也是決定其最終力學(xué)性能的最有利手段。時(shí)效處理的目的是利用時(shí)效作用產(chǎn)生細(xì)小、彌散分布的沉淀相，以便獲得盡可能高的強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能[4]。

2 現(xiàn)有高強(qiáng)度熱處理工藝

固溶化溫度一般選用1050 ℃。如采用1000 ℃固溶化，由于溫度較低，很多碳化物和金屬間化合物不能夠完全溶于奧氏體基體中；如采用1100 ℃固溶化，由于溫度較高會(huì)造成晶粒粗大，影響后續(xù)熱處理的綜合力學(xué)性能。固溶后在450 ℃時(shí)效保溫一段時(shí)間，會(huì)逐漸彌散析出大量富銅相和碳化鈮等沉淀相；時(shí)效溫度在470～480 ℃時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高值；時(shí)效溫度在630～640 ℃后強(qiáng)度迅速下降，硬度逐漸降低到最低值?，F(xiàn)有可以達(dá)到高強(qiáng)度的熱處理工藝參數(shù)如圖1所示。

XM-25鋼的化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)鍛件尺寸為φ100 mm×300 mm，數(shù)量為4件，第一件試驗(yàn)鍛件按圖1進(jìn)行熱處理，其中固溶化處理為1050 ℃保溫2 h，時(shí)效處理為480 ℃保溫4 h。

圖1 現(xiàn)有熱處理工藝參數(shù)Fig.1 Existing heat treatment process parameter

表1 XM-25鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of XM-25steel(mass fraction,%)

固溶化+時(shí)效處理后試樣的金相組織如圖2所示。顯微組織主要是板條狀馬氏體，析出物在晶界處聚集，存在一定量的顆粒狀析出物[5]，是材料達(dá)到高強(qiáng)度的主要原因。雖然材料的Ms點(diǎn)高于室溫，但是組織中存在一定含量的白色殘余奧氏體，是固溶化冷卻不徹底而產(chǎn)生的。故通過工藝優(yōu)化，可以有效降低殘余奧氏體含量，進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度[6]。

圖2 固溶化+時(shí)效處理后試樣的金相組織Fig.2 Microstructure of samples after solid solution and aging treatment

熱處理后加工3組力學(xué)性能試樣，每組包括一件拉伸試樣和三件沖擊試樣，拉伸試樣加工成標(biāo)距為30 mm，平行部分直徑為6 mm的棒狀拉伸試樣，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》要求進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣為夏比V型缺口，試驗(yàn)溫度為室溫。力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

3 優(yōu)化后熱處理工藝

原有熱處理工藝下XM-25鋼試樣的屈服強(qiáng)度可達(dá)到1175 MPa以上。為滿足特殊超高強(qiáng)度材料要求，對(duì)其余3件同規(guī)格的試驗(yàn)鍛件進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化，其中固溶化處理為1050 ℃保溫2 h，油冷；中間處理為850 ℃保溫2.5 h，油冷；深冷處理為-70 ℃保溫2 h時(shí)；時(shí)效處理為480 ℃保溫4 h，空冷。熱處理后每件試驗(yàn)鍛件加工3組力學(xué)性能試樣，每組包括一件拉伸試樣和三件沖擊試樣。力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 固溶化+時(shí)效熱處理后試樣力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of samples after solid solutionandaging treatment

表3 優(yōu)化熱處理后試樣的力學(xué)性能Table 3 The mechanical propertiesof samples after optimized heat treatment

固溶化+中間處理+時(shí)效處理后材料的金相組織變化不明顯，仍然存在一定含量的殘余奧氏體[7]，如圖3所示。固溶化+深冷處理+時(shí)效處理后，材料的強(qiáng)度有明顯的提高，金相組織如圖4所示。固溶化+第一次時(shí)效處理+深冷處理+第二次時(shí)效處理后，材料的強(qiáng)度達(dá)到最高值，屈服強(qiáng)度約1300 MPa，金相組織如圖5所示，組織主要為板條狀馬氏體。與圖2和圖3相比，白色的殘余奧氏體組織明顯減少，是材料強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高的主要原因[8]。

圖3 固溶化+中間處理+時(shí)效處理后試樣的金相組織Fig.3 Microstructure of sample safter solid solution，intermediate treatment and aging treatment

圖4 固溶化+深冷處理+時(shí)效處理后試樣的金相組織Fig.4 Microstructure of samples after solid solution，cryogenic treatment and aging treatment

圖5 固溶化+第一次時(shí)效處理+深冷處理+第二次時(shí)效處理后試樣的金相組織Fig.5 Microstructure of samples after solid solution, first aging treatment, cryogenic treatment and second aging treatment

4 結(jié)論

針對(duì)馬氏體沉淀硬化不銹鋼XM-25，本文通過大量的熱處理工藝試驗(yàn)，在原有固溶化、時(shí)效基礎(chǔ)上，加入中間處理和深冷處理，得出以下結(jié)論：

1)XM-25鋼經(jīng)固溶化+時(shí)效處理后得到板條狀馬氏體，且晶界處有少量的顆粒狀析出物，存在一定量的殘余奧氏體，材料的強(qiáng)度得到一定的提高；

2)固溶化+中間處理+時(shí)效處理后，材料強(qiáng)度的增加趨勢(shì)不明顯；固溶化+深冷處理+時(shí)效處理后，材料強(qiáng)度有一定的提高；

3)固溶化+第一次時(shí)效處理+深冷處理+第二次時(shí)效處理后，材料的強(qiáng)度達(dá)到最高值，屈服強(qiáng)度約為1300 MPa。