CRONIDUR30高氮不锈钢的热处理工艺及组织和性能

CRONIDUR30高氮不锈钢是一种新型高氮、高韧性和高强度马氏体不锈轴承用钢。研究用高氮CRONIDUR30不锈钢的主要成分为0.316%C、14.89%Cr、0.986%Mo、0.425%Mn、0.697%Si、0.207%Ni和0.435%N(质量分数)。对14mm×5mm的CRONIDUR30高氮不锈钢试样进行了1010℃、1020℃、1030℃、1040℃和1050℃油淬、-150℃深冷处理和-85℃冷处理以及160℃、180℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃回火,检测了经不同工艺热处理的钢的硬度和显微组织。结果表明:经1025℃油淬、-85℃冷处理和470℃回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度高于60HRC,组织为回火马氏体、细小均匀的氮化物和碳化物及小于5%的残留奥氏体,能满足高端轴承的性能要求。

CRONIDUR30高氮不锈钢是一种用于制造高精度元器件的高氮马氏体不锈钢,由德国埃森能源技术有限公司开发,采用PESR(高压电渣重熔)等先进工艺生产,这种钢组织均匀细小,纯净度高,具有良好的机加工性能和较高的尺寸稳定性。以氮取代部分碳使钢的耐蚀性和耐磨性远优于常规熔炼的冷作钢。CRONIDUR30高氮不锈钢的耐蚀性远好于9Cr18Mo钢,CRONIDUR30高氮不锈钢轴承寿命是Cr4Mo4V钢的4.4倍,因此被应用于航空航天的主轴和球轴承等零部件。

要求精度高、使用寿命长的惯导轴承采用CRONIDUR30高氮不锈钢制作,要求硬度60HRC以上,残留奥氏体含量小于5%。有关资料表明,目前仅个别国外先进轴承企业能达到58~60HRC的硬度,但残留奥氏体含量约为7%~8%。本文试验研究了CRONIDUR30高氮钢的热处理工艺,包括淬火、深冷处理、冷处理以及回火,检测了不同工艺热处理后钢的显微组织和硬度,确定了CRONIDUR30高氮钢的最佳热处理工艺。

1试验材料与方法

试验用CRONIDUR30高氮钢的主要化学成分见表1。试样尺寸为14mm×5mm。对试样分别进行不同工艺的热处理,随后检测其硬度和显微组织。试样的退火态组织如图1所示。

淬火设备为WZC20真空炉,淬火温度分别为1010℃、1020℃、1030℃、1040℃和1050℃,保温70min油冷。

深冷处理设备为DC50L深冷箱,深冷温度-150℃,时间1h。回火设备为CYH8812干燥箱,回火温度分别为160℃、180℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃和600℃,保温4h空冷。

金相试样用三氯化铁酒精溶液浸蚀。采用HRS150数显洛氏硬度计测定硬度,每个试样测3点取平均值。残留奥氏体采用D/Max2200型X射线衍射仪测量,Cu靶,扫描角度范围30°~110°,扫描速度为8°/min,工作电流250mA,工作电压40kV。

2试验结果与讨论

2.1淬火温度对硬度和组织的影响

2.1.1淬火温度对硬度的影响

高氮钢由于Ms点很低,淬火后残留奥氏体较多,硬度较低。不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度列于表2。硬度随淬火温度的变化如图2所示。

表2和图2表明,随着淬火温度的升高,钢的硬度下降,在1010~1030℃范围内硬度下降比较缓慢。

2.1.2淬火温度对组织的影响

图3为不同温度淬火后CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织。从图3可以看出,CRONIDUR30高氮不锈钢淬火后的组织为极细板条马氏体、氮化物、碳化物和残留奥氏体。

2.1.3淬火温度对残留奥氏体含量的影响

图4为不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢的XRD衍射图谱。从图4中可以看出,随着淬火温度的升高,钢的马氏体峰逐渐降低,奥氏体峰逐渐增强,残留奥氏体含量增加。

表3和图5为不同温度淬火的CRONIDUR30高氮不锈钢中的残留奥氏体量。这些结果表明,随着淬火温度的升高,钢中残留奥氏体量增加。

2.1.4淬火温度对硬度的影响

随着淬火温度的升高,碳化物、氮化物的溶解使奥氏体的碳、氮含量提高,钢淬火后的硬度升高,但Ms点降低,因此残留奥氏体量也增多,导致硬度降低,还会恶化零件的尺寸稳定性。为此,需进行冷处理甚至深冷处理,以减少残留奥氏体量。

2.2深冷处理对硬度、组织和残留奥氏体量的影响

2.2.1对硬度的影响

表4列出了从不同温度淬火随后于-150℃深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度,淬火态和淬火并深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度随淬火温度的变化如图6所示。

由表4可以看出,随着淬火温度的升高,深冷处理后钢的硬度先略有上升后下降。图6表明,从不同温度淬火的钢,深冷处理后硬度均高于未经深冷处理的钢。

2.2.2深冷处理对显微组织的影响

从不同温度淬火随后深冷处理的CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织如图7所示。图7表明,深冷处理使残留奥氏体明显减少,马氏体量最增多。图8为经不温度淬火、-150℃深冷处理和回火的钢的XRD图谱。从图8可以看出,随着淬火温度的升高,-150℃深冷处理、回火后马氏体峰降低,奥氏体峰增强,残留奥氏体量增加。表5为不同温度淬火随后深冷处理的钢的残留奥氏体含量。表5数据表明,随着淬火温度的升高,深冷处理后残留奥氏体量增多。从1030℃以下温度淬火的钢残留奥氏体量较少,因此深冷处理对硬度影响不大;从更高温度淬火后,组织中有较多的残留奥氏体,深冷处理使部分残留奥氏体转变为马氏体,从而提高钢的硬度。

2.3回火温度对硬度的影响

图9为1030℃淬火随后-150℃深冷处理的钢的硬度随回火温度的变化。可以看出,在350℃以下回火时,硬度随着回火温度的升高而降低。此后硬度随回火温度的升高而升高,并在450~500℃时达到最大值,约为60.5HRC。500℃以上回火时,钢的硬度随回火温度的升高急剧降低。

低温回火时,马氏体析出细小的氮化物和碳化物使马氏体的晶格畸变减小,硬度下降。但由于回火温度较低,析出的碳化物较少,钢仍保持高硬度。

虽然残留奥氏体转变成马氏体使硬度升高,但其含量很少,因此随着回火温度的升高硬度降低。在350~500℃回火时,碳化物逐渐析出,硬度升高,并在450~500℃产生二次硬化。回火温度进一步提高,更多碳化物和氮化析出,钢的硬度急剧下降。

3热处理新工艺

3.1工艺

根据以上试验结果,制订了CRONIDUR30高氮不锈钢的热处理新工艺,如图10所示。

淬火设备仍为WZC20真空油淬炉,装炉量≤8kg,真空度≤1.3×10Pa。分段加热,第一段为630℃×15min,第二段为850℃×15min。淬火温度为1025℃,油淬,油温40℃并搅拌。淬火时工件入油后立即向冷室充入0.4MPa氮气,使真空淬火油表面保持一定的压力确保淬火冷却速度。

淬火后应在0.5h内进行-85℃冷处理,在5min内从室温降至-85℃,保温70min。随后将试样在50min内升温至室温。

采用油槽或WZDJQ20气淬真空炉回火,回火温度为170℃、470℃。470℃回火时充少量氮气,防止表面脱氮。回火两次每次2h。

3.2结果

3.2.1硬度

淬火态、淬火后冷处理及淬火、冷处理后经不同工艺回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的硬度列于表6。

3.2.2显微组织

淬火态、淬火后冷处理及淬火、冷处理后经不同工艺回火的CRONIDUR30高氮不锈钢的显微组织如图11所示,残留奥氏体含量列于表7,XRD图谱如图12所示。

从以上结果可以看出,170℃两次回火的钢的硬度比一次回火的钢低,说明170℃×2h回火不充分,不能同时达到硬度和残留奥氏体含量的要求。而470℃两次回火的钢硬度达60.6HRC,残留奥氏体含量为6.9%。

4产品试制

4.1热处理工艺

根据以上试验结果确定CRONIDUR30高氮不锈钢轴承的热处理工艺如图13所示。

4.1.1淬火

加热室真空度≤1.3×10Pa。630℃×15min+850℃×15min分段加热,1025℃×45min油淬,并冲入0.4MPa氮气。

4.1.2冷处理

-85℃保温70min,以≤2℃/min回升至20℃保温10min。

4.1.3回火

470℃×2h,2次。

4.2结果

4.2.1硬度

热处理后轴承的硬度如表8所示。

4.2.2显微组织

轴承淬火、回火后的组织为回火马氏体、少量细小分布均匀的氮化物、碳化物和少量残留奥氏体,如图14所示,残留奥氏体含量列于表9,XRD图谱如图15所示。

4.2.3脱碳层

淬火加热过程中,轴承发生了脱碳,脱碳层深度0.01~0.03mm,如图16所示。

5结论

(1)从1010~1050℃淬火的高氮CRONIDUR30高氮不锈钢,随着淬火温度的升高,硬度下降,残留奥氏体含量增加。

(2)从1010~1050℃淬火随后深冷处理后,硬度上升,随着淬火温度的升高,深冷处理后硬度显著提高。从1025℃淬火后深冷处理的钢,在170℃和470℃回火后硬度最高,均高于60HRC,470℃回火时出现二次硬化现象。

(3)1025℃淬火、-85℃冷处理随后470℃回火是CRONIDUR30高氮不锈钢较合适的热处理工艺,热处理后硬度高于60HRC,残留奥氏体含量小于5%。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

文章地址:http://www.gbt14976.com/Info/View.Asp?Id=985

版权所有 © 转载时必须以链接形式注明作者和原始出处

我们需要您的支持与分享

分享到:

相关新闻

    没有资料