热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响

第35卷第5期2013年9月上海金属SHANGHAIMETALSVO135，NO5SEPTEMBER，201331热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响卢艳平楼鹏飞1山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原030003；2浙江大鹏重工设备制造有限公司，浙江311800【摘要】为解决高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615MOALVB在以往热处理工艺下硬度不高等问题，通过分析X5NICRTI2615M0ALVB的成分，研究合金元素在材料中的作用，并利用JAMATPRO50软件进行相图计算，从而设计并试验得到适合该材料的最佳热处理工艺为1000OCX2H固溶后水冷76012H时效后空冷，最终有效地改善了高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能。【关键词】高镍无磁辊奥氏体热处理磁性能EFFECTOFHEATTREATMENTPROCESSESONMICROSTRUCTUREANDPROPERTYOFHIGHNICKELNONMAGNETICROLLERMATERIALLUYANPINGLOUPENGFEI1SHANXITAIGANGSTAINLESSSTEELCO，LTDTAIYUANSHANXI030003，CHINA；2ZHEJIANGDAPENGHEAVYEQUIPMENTMANUFACTURINGCO，LTD，ZHEJIANG311800，CHINA【ABSTRACT】INORDERTOSOLVETHEPROBLEMSONHARDNESSOFTHEHIGHNICKELNONMAGNETICROLLERMATERIALX5NICRTI2615MOA1VB，WHICHWASNOTHARDENOUGHBYORIGINALHEATTREATMENT，THEALLOYINGINGREDIENTSOFX5NICRTI2615MOA1VBWASANALYZEDTHESOFTWAREJAMPATPRO50WASUSEDTODESIGNTHEBESTSOLUTIONANDAGINGPROCESSFORX5NICRTI2615MOA1VBSTEE1IE1000CC2HSOLUTIONCOOLINGINWATER760OCX12HAGINGCOOLINGINAIRTHEMICROSTRUCTUREANDPERFORMANCEOFTHEHIGHNICKELNONMAGNETICROLLERMATERIALWASULTIMATELYIMPROVED【KEYWORDS】HIGHNICKELNONMAGNETICROLLER，AUSTENITE，HEATTREATMENT，MAGNETICPROPERTY连铸机用的奥氏体无磁辊是连铸扇形段结晶器电磁搅拌技术核心部件，其性能好坏直接关系到连铸坯的质量等轴晶比例。无磁辊的工作环境温度始终保持在8001200，长时间在高温高循环载荷下工作，容易发生不同程度的磨损、腐蚀以及疲劳现象。国外公司生产的连铸用无磁辊价格过高，工期无法保证，给国内连铸厂家生产作业带来不便，所以有必要自主开发出更好的无磁辊材料以及工艺，使之具有更高强度和高温性能。X5NICRTI2615MOA1VB钢是一种近年作者简介卢艳平，女，工程师，EMAILMLMLMWB163CON来才出现的新型奥氏体材料，国内的研究相对匮乏。作为高镍奥氏体无磁辊的材料，要求其不仅具有很低的磁导率，更要有高硬度和高温强度。为了解决以往国内热处理工艺下X5NICRTI2615一MOA1VB高镍奥氏体无磁辊材料硬度不高等性能上的缺陷，经过分析X5MCI26L5M0ALVB钢的合金化原理，探索最佳固溶时效热处理工艺，来满足奥氏体无磁辊的各项性能指标，具有重要的意义。1试验材料和方法32上海金属第35卷11材料成分分析试验所用高镍奥氏体无磁辊材料为X5NICRTI2615MOA1VB，对材料进行化学成分分析，结果见表1。表1高镍奥氏体无磁辊材料主要化学成分分析质量分数TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFX5NICRTI2615M0ALVBBYCHEMICALMETHODSMASSFRACTION12JAMATPRO相图计算及热处理试验通过成分分析结果对高镍奥氏体无磁辊材料X5NICI2615M0A1VB进行JAMATPRO50相图计算，结合元素合金化原理，为该材料的热处理工艺和组织理论提供一定的热力学基础。图1为JAMATPRO计算结果。LIQUIDALJBTENITE盼M日2C32MCNLAVES温度图1JAMATPRO相图计算FIG1RESUHOFJAMATPROCALCULATION从JAMATPRO结果图可以看出，高镍奥氏体无磁辊材料在900CC左右就能完全奥氏体化，所以固溶处理温度必须大于900。根据文献4，大部分的铬镍奥氏体钢的固溶温度普遍在10101150之间，这是由于固溶处理是要加热至固溶度曲线以上，保证固溶效果，所以设计固溶处理温度分别为1000、1050、1100。从图1还可以看出，材料在600900时，能够析出大量第二相，根据文献，该材料时效时主要析出相为相NI，TI、A1E5，并且含有少量的11相、LAVES相、G相、M。B相析出，以相为主要强化相，时效温度一般选取在700800OC，所以设计时效处理温度分别为710、760、810OC。根据JAMATPRO相图计算结果以及一些文献研究剖，设计材料热处理试验如下试样共9组，试样尺寸为10MMX10MMX15MM，采用高温炉和普通箱式炉分别对试样进行固溶时效热处理，方案见表2。13材料硬度及磁性测定利用电子布氏硬度计HBE3000A对热处理后9个试样分别进行硬度测定，每个试样测5次，取平均值。试样进行打磨抛光，利用三氯化铁试剂5GHC150MLHC1H20进行金相腐蚀，利用金相显微镜对其进行显微观察，用GB一63942002金相图谱评定试样晶粒度。表2固溶时效热处理方案TABLE2SOLUTIONANDAGINGHEATTREATMENTPROGRAMS高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB在拥有较高硬度的同时，要求有很低的磁导率，所以材料通过固溶时效热处理工艺后要保证较纯奥氏体组织并且拥有很低的磁导率。试验利用振动样品磁强计检测固溶时效热处理后试样的磁学性能。2试验结果讨论与分析21硬度结果分析测得9组经过不同固溶时效热处理工艺后试样硬度结果，见图2、图3。图2固溶处理后各试样硬度值FIG2HARDNESSVALUEFOREACHSAMPLEAFTERSOLUTIONTREATMENT伽例馏川他皇静第5期卢艳平等热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响33图3固溶时效处理后各试样硬度值FIG3HARDNESSVALUEFOREACHSAMPLEAFTERSOLUTIONANDAGINGTREATMENT从图2可以看出，高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615M0ALVB在经过固溶处理后，硬度普遍过低，在115124HBS之间浮动，原因是当温度上升到830时主要强化相Y开始溶解，当温度加热到固溶温度并且保温后，强化相溶解并均匀化，得到过饱和固溶体，降低了试样整体硬度；另外在固溶加热阶段Y相溶解程度直接关系到热处理后最终硬度高低，而通过固溶热处理后，硬度值相差不大，说明所选的这三个温度1000、1050、1100OC，均高于Y相NIA1、NITI完全溶解温度890，相已经完全均匀地溶解人奥氏体基体，达到固溶热处理的目的，为后续的时效处理做好准备。由于该材料热处理过程中不存在相变再结晶的细化晶粒过程，而且固溶处理温度高，晶粒会过大导致组织恶化，影响到材料的硬度和塑性，如硬度结果所示，在同一时效处理温度下，固溶温度越高的试样，在时效后硬度一般越小，所以综上所述推荐使用10002H的固溶处理工艺。固溶处理后进行时效处理，在时效条件下，过饱和固溶体开始分解，逐渐分解出弥散分布的相强化相，硬度普遍大幅度升高，从而证明高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB是通过时效沉淀析出强化相作为强化手段的。从图3可以看到，在同样的固溶热处理后，硬度随时效温度的上升呈一个先升后降的趋势。当时效温度达到760C【时，硬度达到峰值，结合图4，X5NICRTI一2615MOA1VB材料时效12H后Y相数量与时效温度的关系可以得知，在760时效12H后，相析出量最高，强化效果最好；当温度超过760，硬度降低，可能是由于材料中Y相长大并且有一定量的Y相转化为相，结合图5X5NICRTI2615M0ALVB材料中相析出曲线J，可以得到，在810OC时效12H后有大量相析出。11相的析出，消耗了相当数量的TI，使Y相数量减少川，降低了强化效果，从而表现为硬度下降。所以，在上述9种热处理方案中，2号试样，即经过1000固溶2H水冷760时效12H空冷后，硬度值最高，达到294HBS，符合连铸用奥氏体无磁辊使用要求硬度290HBS31，并且达到进口无磁辊硬度标准，是所涉及热处理工艺中最佳方案。图4X5NICRTI2615M0ALVB材料时效16H后相数量与时效温度的关系FIG4RELATIONBETWEENAMOUNTOFPHASEANDAGINGTEMPERATUREAFTER16HOURSAGING时效时间L1图55NICRTI2615MOVB材料中11相析出曲线FIG5PRECIPITATIONCURVEOF11PHASEINX5NICRTI一2615MOALVB对试验材料进行金相观察，结果见图6所示。第5期卢艳平等热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响35体无磁辊材料研究的空白。图8为太钢235板坯连铸用的X5NICRTI2615M0ALVB钢无磁辊实物照片。图8太钢235板坯连铸无磁辊FIG8235SLABCONTINUOUSCASTINGNONMAGNETICROLLEROFTISCO4结论经过成分分析和调整热处理试验，可以得到以下结论1利用JAMATPRO50相图计算以及合金化原理的研究，设计并最终得到高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615M0ALVB固溶时效最佳热处理工艺为1O002H固溶水冷760OC12H时效空冷，经此热处理后，材料满足无磁要求，并且硬度达到294HBS。2通过对比金相可知固溶温度在1000OC时，奥氏体组织晶粒较小；随着固溶温度的提高，奥氏体组织晶粒变大；1050OC后，奥氏体组织晶粒显著变大。3同一固溶温度下，随着时效温度的升高，高镍奥氏体无磁辊材料X5NICRTI2615MOA1VB硬度呈一个先增后降的趋势。参考文献1毛成杰，李波连铸扇形段托辊失效原因分析及解决措施J冶金丛刊，201219925262眭向荣，马计平，刘景风，等连铸锟失效分析及堆焊技术研究J现代冶金，20103820233杨正勇连铸辊堆焊技术的现状浅析J焊接，20061057594赵昌盛不锈钢的应用及热处理M北京机械工业出版社201016175高宏恩，李锁才0CRL5NI25TI2MOVB钢固溶处理与力学性能的关系J风机技术，20020232346刘俊建，陈国宏，王家庆，等时效热处理对HR3C钢组织结构及力学性能的影响J合肥工业大学学报自然科学版，20113447517贾成洁SUPER304H奥氏体不锈钢高温时效后组织结构的变化D大连大连理工大学，20108郝红元，曹士锐，郝曜固溶时效处理对奥氏体耐热钢组织与性能的影响J金属热处理，20060365679北京钢铁学院高温合金教研室GH2132合金M北京国防工程出版社，198010裴丙红，张红斌，刘勤学，等时效温度对高钛GH2132合金性能影响的研究J特钢技术，2006O115收修改稿日期20130527上接第8页COMPARISONWITHAGINGUNDERNEUTRONIRRADIATIONJAPPLIEDSURFACESCIENCE，1996，94953623698叶倩，赵世金FE基合金连续冷却相变的分子动力学模拟J上海金属，2012，439，129GAON，WEIKF，ZHANGSX，ETA1THEENERGYSTATEANDPHASETRANSITIONOFCHCLUSTERSINBCCFESTUDIEDBYAMOLECULARDYNAMICSSIMULATIONJCHINESEPHYSICSLETTERS，2012，2990961020961051OOSETSKYYN，SERRAASTUDYOFCOPPERPRECIPITATESINALPHAIRONBYCOMPUTERSIMULATION3THEEVOLUTIONOFVACANCIESWITHINPRECIPITATESJPHILOSOPHICALMAGAZINEA，1997，754L097111511A1一MOTASEMAT，POSSEHM，BERGNERFNANOCLUSTERSINBCCFECONTAININGVACANCIES，COPPERANDNICKELSTRUCTUREANDENERGETICSJJOURNALOFNUCLEARMATERIALS，2011，4181321522212PLIMPTONSFASTPARALLELALGORITHMSFORSHORTRANGEMOLECULARDYNAMICSJJOUMALOFCOMPUTATIONALPHYSICS，1995，117114413BONNYG，PASIANOTRC，CASTINN，ETA1TEMATTFECUNIMANYBODYPOTENTIALTOMODELREACTORPRESSUREVESSELSTEELSFIRSTVALIDATIONBYSIMULATEDTHERMALANNEALINGJPHILOSOP