热处理工艺对7Cr17MoV马氏体不锈钢组织性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、洛氏硬度计、冲击试验,观察和分析了7Cr17MoV马氏体不锈钢在9901110℃淬火+180220℃回火的组织和性能变化。结果表明:淬火组织为残留奥氏体和碳化物分布于马氏体基体上。随淬火温度的升高,残留奥氏体含量和马氏体过饱和度增加,针状马氏体组织变粗,1080℃淬火硬度升高到最大值62.5HRC。冲击试验结果表明:随回火温度逐渐升高,试样硬度有部分下降,但韧性显著提高,200220℃时韧性最佳,达到19J/cm2。综合硬度和韧性考虑,最佳热处理工艺为1080℃淬火+200220℃回火。盐雾试验表明:1080℃淬火+200℃回火后腐蚀率小于4%,符合使用要求。

不锈钢作为一种用途广泛的钢,具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性,广泛应用于餐具、医学用具、试验用具、装饰品等。近百年的发展使得不锈钢可提供各种特殊性能,满足不同的服役条件和生产制造的要求。不锈钢按照组织状态可分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢,其均具有良好的耐蚀性,可在腐蚀介质中保持良好的力学性能。

不锈钢中发展最早的就是马氏体不锈钢,按成分可分为Cr(400系列)Cr-Ni(300系列)Cr-Mn-Ni(200系列)及析出硬化系(600系列)7Cr17马氏体不锈钢因含碳量较高,可以在热处理以后达到较高的强度、硬度、耐磨性和冲击韧度,用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上,如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。其中高Cr含量(11.5%18%)是不锈钢耐腐蚀的重要原因,加入约1%Mo0.1%V,可以增加7Cr17钢的耐磨性及耐蚀性,从而形成应用相当广泛的马氏体不锈钢7Cr17MoV,这类钢是在淬火、回火后使用的。与其类似的钢种有美国ASTM440A和日本SUS440A,主要用于制作高硬度、高耐磨性的中高档刀剪产品和医疗器械。鉴于国内对此类钢的热处理研究较少,为充分发挥7Cr17MoV马氏体不锈钢的特性,提高产品质量,本文研究了热处理工艺参数对7Cr17MoV硬度、冲击韧度及组织性能的影响,为生产应用提供理论依据[2]

1试验材料、设备及试验方法

1.1试验材料及设备

试验用原材料为厚10mm7Cr17MoV马氏体不锈钢钢板,其化学成分见表1。供货状态为750℃退火态,初始组织为铁素体+球状合金碳化物,硬度为220HB(17HRC)

用线切割机将不锈钢板切割成55mm×10mm×10mm的标准V型夏比冲击试样48个,试样分成两组,A组为空白试样(3个试样,编号01#)B组为热处理试样(45个试样,编号分别为02#16#)

本文主要研究马氏体不锈钢的硬度、韧性和耐腐蚀性等性能。硬度测试使用HR-150A洛氏硬度计,加载砝码150kg,每个测5次,舍弃最大值和最小值,取余下3次的平均值作为最终结果。V型缺口冲击试验在室温下利用JB-300摆锤式冲击试验机上进行,3次重复性试验取试验平均值作为最终结果。盐雾试验采用5%NaCl溶液模拟大气腐蚀。金相试验采用DMIE200M金相显微镜进行金相组织观察。断口形貌采用ZeissEVOMA15扫描电镜观察,并采用OxfordInstrument能谱仪进行微区成分分析。

1.2试验方法

(1)首先将A组试样作为空白试样,分别进行硬度、冲击韧度测试以及盐雾试验测试。

(2)B组进行5(淬火)×3(回火)正交热处理试验。为正确制定钢的热处理工艺,参照法国澎湃旗斯钢铁公司提供的T7Mo钢的热处理工艺(Air10605960HRC,回火200℃,5658HRC)。淬火温度9901110℃,间隔30℃,保温25min,油淬,立即测试各试样硬度并记录。然后进行180200220℃回火处理,保温2h,空冷,立即进行冲击硬度测试和冲击韧度试验并记录数据。

(3)选取性能兼优(硬度和冲击韧度兼优)作为B组优化工艺试样Bopt,对其进行盐雾试验。

(4)分析对比空白试样ABopt的硬度、冲击韧度和耐腐蚀性能,利用理论解释这一性能转变的原因。具体方法有金相试验分析成分、组织及结构;SEM观察表面形貌并进行微区成分分析。

2试验结果及分析

2.1热处理工艺对试样硬度的影响

2.1.1淬火工艺对试样硬度的影响

分别对原始退火态试样、9901110℃淬火后的试样进行硬度测试记录,取每大组9个试样的平均值作为最终淬火硬度。空白试样A硬度平均值约17HRC,图1为不同淬火温度后试样硬度变化趋势。可知,7Cr17MoV淬火后,随淬火温度的升高,其硬度先增加后降低。9901020℃淬火时,试样硬度的变化取决于大量未溶碳化物颗粒的大小、数量、铁素体的含量,一些元素如碳、铬、钼、钒在组织中的溶解度比较低,在急冷后,存留在马氏体中的碳及某些合金元素含量偏低,导致淬火硬度不高。随淬火温度升高,固溶在钢中的碳和合金含量开始上升,同时钢中马氏体过饱和度增加,导致马氏体转变后的硬度愈高,淬火硬度愈高,在1080℃左右达到峰值62.5HRC,说明碳化物颗粒均基本溶解,剩余的均匀分布,已基本奥氏体化,合金化程度高,故硬度比较高。但淬火温度进一步升高时,组织中含碳量及合金含量过高,导致晶粒长大,奥氏体越稳定,冷却转变后残余奥氏体量增加,淬火硬度反而有所下降。7Cr17MoV中碳、铬、钼、钒的增加使钢的Ms点降低,马氏体形核减少,也会导致残余奥氏体量增加,从而硬度急剧下降至60HRC

2.1.2回火工艺对硬度的影响

180200220℃回火处理时,试样的硬度随回火温度的升高缓慢下降15HRC,表现出较好的回火稳定性。这是由于7Crl7MoV钢中含有17%Cr和一定量的钼和钒等合金元素,且铬、钼、钒都是强碳化物形成元素,阻碍了钢中碳原子的扩散,延迟了钢在回火时的组织转变过程,推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变[4]1080℃淬火时不同温度回火后的硬度见表2

7Cr17MoV进一步做300400500600℃高温回火发现,低温回火硬度逐渐降低,幅度不大,300℃回火时硬度最低为56.3HRC500℃回火后硬度增大至57.5HRC,随后又降低,硬度曲线呈马鞍状。500℃回火时硬度增加是由于7Cr17MoV材料中具有较高含量的铬,同时含有钼、钒等合金元素。这些元素属于强碳化物形成元素,在渗碳体中大量存在。当回火温度到达一定区间内,这些强碳化物形成元素在渗碳体中聚集到某一浓度后将发生转变,形成特殊碳化物。与渗碳体相比,这些特殊碳化物的硬度更高,以高度弥散的颗粒存在于基体中,不易聚集长大,其沉淀硬化导致了材料的硬度升高。但高温回火会产生马氏体的分解与合金碳化物的析出,钢的组织呈屈氏体组织,防锈性能下降,故7Cr17MoV应采用低温回火来提高韧性并减少硬度损失。

2.2热处理工艺对冲击韧度的影响

冲击韧度试验数据显示,退火态7Cr17MoV冲击韧度为15J/cm2,淬火及200℃回火后的冲击韧度如表3所示。

淬火后,相对于退火态母材试样冲击韧度急剧减小,试验数据显示最低至7J/cm2,后经回火,冲击韧度又急剧增加至19J/cm2。由表3可知,经淬火、回火后,冲击韧度随淬火温度升高先增大,超过1080℃后又减小。退火时球化处理可以改变碳化物的微观组织形貌和分布,使组织更加均匀,同时对减少淬火加热中的热敏型和变形都有较好的作用。

淬火时,由于较高的淬火温度,导致淬火后晶粒粗大,油淬急冷奥氏体转变成马氏体,硬度急剧增加,使材料韧性下降至7J/cm2。此外,在淬火冷却时,由于较快的冷却速度,材料会出现应力集中现象,从而会导致材料的韧性急剧降低。回火的主要目的是降低或者消除应力,确保组织稳定转变过程,提高钢的塑性和韧性,获得硬度、强度、韧性的适当搭配。因此,在回火后,材料的韧性得到了大幅度提升,在200220℃回火提升至19J/cm2

2.3热处理对耐蚀性的影响

盐雾试验(NSS)是在模拟某些特定的潮湿气候的环境下,来考查产品、材料及其防护层的抗盐雾腐蚀能力的试验。人工模拟盐雾环境试验是在一种具有一定容积空间的试盐雾试验箱下进行。在箱体内造成盐雾环境对马氏体不锈钢的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核。其盐雾环境下的氯化物的盐浓度是天然环境盐雾含量的几倍或几十倍,这使得腐蚀速度大大提高,可大大减少对两种材料进行盐雾试验的时间,在天然环境下对这两种材料试验进行试验腐蚀要1年的时间,在人工模拟盐雾环境条件下试验就只要24h,两者得到的结果很相似。

27Cr17MoV1080℃淬火+200℃回火后的腐蚀图。从图中及相关文献中可知,试样表面出现了一定数量的点蚀,没有出现明显的气泡、裂纹等缺陷。对材料进行腐蚀速率的评级,是将材料的主要表面划分成5mm×5mm的小格子,通过观察材料的被腐蚀处占小格子数量的百分比来评级。根据腐蚀形貌图分析得出,7Cr17MoV的腐蚀率小于4%,属于5级标准,试样表面腐蚀坑的尺寸大小和数量都符合要求。这表明在经过此热处理加工工艺后的耐蚀能力是符合要求的。

2.4热处理对材料组织的影响

37Cr17MoV1080℃淬火及不同温度回火后的金相组织。

从上面几个金相图及母材状况中可以看出,这些组织为马氏体+残余奥氏体+碳化物。7Cr17MoV钢材在球化退火处理时,使片层珠光体转变为球状珠光体。这种珠光体对淬火加热时奥氏体的形成、渗碳体的溶解、固溶体的碳含量和合金元含量以及奥氏体晶粒的长大与形成都有影响。材料成分分布的均匀性也是影响工件性能的因素之一。在淬火加热时,均匀的球状珠光体可以得到细小的奥氏体晶粒。随加热温度的升高,晶粒长大倾向相对减少。因为组织中的碳化物晶粒将变得细小,其分布也均匀化。在奥氏体化时,这些未溶解碳化物将作为核点,起到形核长大、细化组织的作用。随淬火温度进一步提升,这些球化的渗碳体溶解速度降低,在奥氏体中碳与合金元素含量开始减少,这就导致了淬火后材料的硬度降低。而淬火后得到的组织为板条马氏体。从马氏体和奥氏体的相含量随回火温度的变化来看,基体组织变化主要是由于残余奥氏体在不同回火温度下转变的量不同。同时,析出相碳化物对力学性能有较大影响。对比几个图得知,随回火温度升高,组织中的碳化物晶粒先减小后增大,且在200220℃回火时更加细小,其弥散效应保证了组织拥有足够的硬度和韧性。同时,组织分布更加均匀,7Cr17MoV这种钢材的碳含量为0.7%左右,内应力较小,所以在较低的温度下回火,就能去除组织的应力,改善组织的塑韧性,且保持组织在淬火后的高硬度。

2.5冲击断口SEM观察

4为母材及不同温度淬火+回火处理以后7Cr17MoV的冲击试样的断口形貌。可看到断口有韧窝和细小的微孔以及第二相粒子;且可看出断口呈微孔聚集韧断形式,断裂前期,位错运动在第二相粒子处塞积,由于应力集中导致界面分离,形成微孔,微孔连接并长大最终发展断裂,从而形成断口韧窝状。没经过淬火+回火处理的母材断口韧窝很小,且第二相粒子很多,因此导致裂纹源很多,韧性不高。而1080℃淬火的断口形貌相对于1010℃淬火的断口明显更大更深,由于韧窝是在裂纹形成和扩展过程中塑性变形而形成的,故变形越大,吸收的冲击功越多,因而冲击韧度越好。

3结论

(1)7Cr17MoV马氏体不锈钢在9901110℃淬火时,硬度先增加后减小,且在1080℃出现峰值,最大硬度可达62.5HRC;冲击韧度则随淬火温度升高逐渐降低,在1100℃淬火后急剧降低至7J/cm2左右。

(2)7Cr17MoV马氏体不锈钢在180220℃回火时,硬度减小缓慢,呈现出较好的回火稳定性;韧性则有较大提升,在200220℃时韧性最佳,最高至19J/cm2

(3)在盐雾试验后7Cr17MoV马氏体不锈钢出现一定数量的点蚀。根据腐蚀速率评级标准,7Cr17MoV的腐蚀率小于4%,属于5级标准,符合生产使用要求。

(4)7Cr17MoV马氏体不锈钢合理的热处理工艺为750℃退火+1080℃淬火+200220℃回火。

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

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