热处理对45 Cr14 Ni14 W2 Mo钢组织和性能的影响.pdf

第 41 卷 第 5 期 2016 年5 月 HEAT TREATMENT OF METALS Vol 41 No 5 May 2016 热处理对 45Cr14Ni14W2Mo 钢组织和性能的影响 包文全, 刘桂江, 杨建华, 郭 强 (抚顺特殊钢股份有限公司, 辽宁 抚顺 113001) 摘要:研究了不同固溶与时效处理对 45Cr14Ni14W2Mo 钢组织和性能的影响。 根据试验结果分析,在 1170 固溶处理保温 60 min (水冷) +760 时效处理(保温 5 h)空冷,可获得良好的性能,能够满足内燃机气阀用钢及合金棒材的标准要求。 关键词:45Cr14Ni14W2Mo 钢;固溶处理;时效处理;组织与性能 中图分类号:TG113. 25 文献标志码:A 文章编号:0254-6051(2016)05-0153-03 Effect of heat treatment on microstructure and properties of 45Cr14Ni14W2Mo steel Bao Wenquan, Liu Guijiang, Yang Jianhua, Guo Qiang (Fushun Special Steel Co. , Ltd. , Fushun Liaoning 113001, China) Abstract: Effect of solution and aging process on microstructure and properties of 45Cr14Ni14W2Mo steel was investigated.The experimental results show that the 45Cr14Ni14W2Mo steel can obtain preferable mechanical properties after solution at 1170 for 60 min and age at 760 for 5 h which can meet the standard requirements of valve steel and superalloy bars for internal combustion engines. Keywords: 45Cr14Ni14W2Mo steel; solution treatment;aging treatment;microstructure and mechanical properties 收稿日期:2015-09-02 作者简介:包文全(1984),男,工程师,研究方向:压力加工,联系电 话 E-mail: 89582738 qq. com doi:10.13251/ j. issn.0254-6051. 2016. 05.034 45Cr14Ni14W2Mo 钢主要以碳化物强化的奥氏体 气阀钢1。 在 700 以下具有良好的耐热性能,在 800 下有良好的抗氧化性,广泛应用于柴油发动机 及排气阀等装置。 但奥氏体不锈钢普遍存在屈服强度 不高,影响材料的使用寿命,该品种在实际检验过程中 也发现此类问题。 在控制轧制过程的同时,固溶处理 温度和时效温度是影响其组织稳定性和性能的重要工 艺参数。 而在实际生产中,因品种特性对设备损害较 大,很少对终轧温度进行控制。 且技术标准中工艺温 度范围较大,经常出现抗拉强度和屈服强度无法满足 工艺要求的情况。 钢材常见的固溶 + 时效处理工艺温 度有1150 +750 、1140 +730 、1135 +750 等。 为充分发挥材料的性能潜力,获得理想的性能指 标,确定最佳的工艺参数是至关重要的。 1 试验材料及方法 试验用钢冶炼工艺采用非真空感应加电渣重 熔,其主要化学成分见表 1 所示。 轧制前将钢材在 三段连续式煤气加热炉内加热,轧制过程分别在现 场 420 mm 3 mm、320 mm 3 mm 和 250 mm 5 mm 轧机上进行,轧制成 25 mm 的圆钢。 轧制过程 因该品种咬入困难,加热温度采用上限温度 1160 控 制,为了得到良好的晶粒度,终轧温度控制在850 , 轧后采用风冷收集。 轧后在辊底式煤气炉内进行退火。 选用箱式电阻炉进行不同温度的固溶与时效处理。 在 WDW3300 型电子式万能试验机上进行力学性 表 1 试验用钢的化学成分(质量分数,%) Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction, %) CMnSiSPNiCrWVMoAlTiCu 0.430. 540.30.0030. 02313.4713.542.340.120.350. 020. 010.13 能测试;采用 40MAT 金相显微镜观察显微组织,金相 侵蚀剂为硫酸铜盐酸水溶液。 2 试验结果与分析 2. 1 固溶处理温度对组织和性能的影响 热轧棒材轧后退火态的显微组织形貌如图 1(a) 所示。 轧后原材料的横向奥氏体晶粒度为 7 8 级,奥 氏体晶粒比较均匀。 观察试样在不同固溶处理温度下 (经730 60 min 时效处理)的显微组织如图1(b e)。 通过图2 可以看出,固溶处理温度的不同,造成晶 154 第 41 卷 图 1 45Cr14Ni14W2Mo 钢轧后经 820 退火(a)和经不同温度固溶处理后(b e)的显微组织 (a)轧后 820 退火; 固溶温度: (b) 1100 ,(c) 1150 ,(d) 1170 ,(e) 1200 Fig. 1 Microstructure of the 45Cr14Ni14W2Mo steel solution treated at different temperatures for 60 min (a) annealed at 820 after rolling; solution treated at: (b) 1100 ,(c) 1150 ,(d) 1170 ,(e) 1200 粒的大小不同,随着固溶处理温度的升高,碳化物溶入 到基体的能力逐渐增强,在1200 几乎达到全部溶入 到奥氏体的基体中,且晶粒迅速长大。 固溶处理温度越高,时效强化效果越显著,热稳定 性及拉伸强度越高2。 时效强化合金的热强性及强 化相质点的形态。 跟据相关文献3中记载,固溶处 理温度越高,基体的合金化程度越高,对随后的时效强 化越有利,尤其是 W、Mo 元素,既增加基体的热强性, 又提高强化相的稳定性。 但是固溶处理温度过高,时 效后的塑性和冲击韧性会大幅度下降,这与晶粒粗化 及时效强化相优先于晶界、孪晶界呈连续析出有关。 在试验过程中奥氏体晶粒度随着固溶处理温度变化, 固溶处理温度超过 1200 晶粒将迅速长大。 若固溶 处理温度过低(如 1100 以下),基体合金元素过饱 和度太低,随后的时效强化倾向减弱,使合金的热稳定 性显著降低4,结合实际金相观察及图 2 的力学性能 试验数据,固溶处理温度在 1170 较为理想。 2. 2 时效对组织和性能的影响 为确定最佳的时效温度和时间,分别在1170 固 溶处理的基础上,分别于 720、730、750、760、800 等 不同温度的时效 1 h,及 760 不同保温时间(1 h、 2 h、5 h、10 h)进行时效处理,观察其组织与力学性能 的变化规律。 图 3 和图 4 分别为不同温度时效后试验 钢的显微组织照片和力学性能试验结果。 从图 3 和图 4 中可以看出,随着时效温度的提高, 图 2 45Cr14Ni14W2Mo 钢经不同温度固溶后的 力学性能(730 60 min 时效) Fig. 2 Mechanical properties of the 45Cr14Ni14W2Mo steel solution treated at different temperatures (aged at 730 for 60 min) 强化相颗粒逐渐变大,数量逐渐减少,材料的强度开始 降低。 图 3(d)中温度提高到 800 后,由于原子扩散 迁移率增大,析出速度加快,析出的强化相迅速聚集长 大,并沿晶界、孪晶界等部位开始优先成核,长大倾向 增加,导致时效强化效果下降5。 当时效温度在 760 保温 1 h,析出的强化相颗粒状细小弥散分布,见图 3 (c),对照图 4(a)中时效温度对性能的影响结果可以 看出,此时强度达到该几组试验的最大值。 在相同固溶温度1170 及760 时效温度下,随 着时效保温时间的增加,强化效果显著增加,由图 4 (b)中可以看出,保温时间在 5 h 后强化效果接近峰 第 5 期包文全,等:热处理对 45Cr14Ni14W2Mo 钢组织和性能的影响 155 图 3 45Cr14Ni14W2Mo 钢经不同温度保温 60 min 时效后的显微组织 Fig. 3 Microstructure of 45Cr14Ni14W2Mo steel aged at different temperatures for 60 min (a) 720 ; (b) 750 ; (c) 760 ; (d) 800 图 4 不同时效处理温度及时间对 45Cr14Ni14W2Mo 钢力学性能的影响 Fig. 4 Effect of aging temperature and time on mechanical properties of the 45Cr14Ni14W2Mo steel 值,若继续延长保温时间强化效果不再明显。 从降成 本及生产效率综合考虑,时效保温时间按 5 h 较为 合理。 3 结论 1) 固溶处理对 45Cr14Ni14W2Mo 钢的力学性能有 显著的影响,固溶温度越高,基体的合金化程度越高,越 有利于时效时强化相的析出,特别是溶入基体中的强化 合金元素 W、Mo 等含量,并增加合金的性能稳定性。 但 固溶处理温度过高,使合金的晶粒迅速长大,使强度和 塑性降低,综合分析,固溶处理温度确定1170 为好。 2) 在固溶处理效果理想的前提下,确定合理的时 效温度及保温时间,能够达到该钢种的强度最佳指标。 该合金在 1170 固溶后 760 时效保温 5 h 可以获 得最佳力学性能。 参考文献: 1 崔 崑. 钢铁材料及有色金属材料M. 北京: 机械工业出版社, 1981: 13-18. 2 周 悠, 宛 农. 4Cr14Ni14W2Mo 耐热钢的热力学分析与改性研 究J. 特钢技术, 2006(4): 1-4. Zhou You, Wang Nong.Thermodynamic analysis and modification study on heat-resistant steel 4Cr14Ni14W2Mo J.Special Steel Technology, 2006(4): 1-4. 3 颜鸣皋, 陈学印. 镍基高温合金的强化J. 金属学报, 1964, 7 (3): 307-321. 4 宋 伟, 马茂元, 赵万贵. 固溶和时效温度对 4Cr14Ni14W2Mo 钢 组织和性能的影响J. 物理测试, 1990(3): 1-5. 5 胡家齐, 刘荣佩, 梁剑雄, 等. 调整处理对 AM