不銹耐熱鋼按其鋼材內(nèi)部組織特征可分奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型四類。耐熱不銹鋼不能進行淬火回火,它的強度只能通過冷作硬化及合金元素強化成沉淀硬化等方法獲得。不銹鋼和耐熱鋼緊固件的熱處理,大都采用企業(yè)標準或各單位的專用工藝文件進行加工。
由于對熱處理工藝規(guī)范、設(shè)備、工藝、質(zhì)量控制及檢驗的有關(guān)方面較嚴格,為提高不銹鋼、耐熱鋼緊固件的發(fā)展和品質(zhì)提升, 現(xiàn)進行以下分析。
1. 鋼材分析
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼是奧氏體型耐熱不銹鋼,也可稱為高溫合金。該鋼退火狀態(tài)下塑性和韌性較好,可以進行冷鐓成形,切削加工性能和熱處理性能良好,可使用到650-700℃,用于耐熱、耐腐蝕的受力的發(fā)動機殼體螺栓完全可行,具有高強度、高抗松弛性、低缺口敏感性、一定的持久強度、良好的抗氧化性。
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼可作為耐熱鋼使用,也可以當(dāng)作高溫合金使用。在GB/T14992-1994中高溫合金牌號為GH2132,相當(dāng)于美國AISI/ASTM A638標準中為660鋼和日本JIS G4315標準中的SUS660鋼。
奧氏體型不銹鋼0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼可作為耐熱鋼使用,這是由于奧氏體的再結(jié)晶溫度高,鐵和其它元素的原子在其中的擴散系數(shù)小,故其強化穩(wěn)定性比鐵素體高, 壓力表緩沖管用于工作溫度高于650℃的發(fā)動機耐熱緊固件多系奧氏體材料,是以奧氏體型不銹鋼為基礎(chǔ)添加一些熱強性的合金元素而成。它們既可作為耐蝕性使用,也可作為耐熱鋼使用。
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼含有大量的奧氏體穩(wěn)定化元素,如 鉻 、鎳、鉬、鈦等合金元素。鉻、鎳在奧氏體型耐熱鋼中,能提高其抗氧化性;鉬能提高奧氏體型鋼的熱強性;鈦是比鉻更易與碳結(jié)合形成穩(wěn)定碳化物的元素,鈦含量1.90%可以使大部分的碳存在于鈦的碳化物之中,從而改善鋼的抗晶間腐蝕能力。合金添加中有Al等元素,這種材料經(jīng)過高溫處理,并進行長時間的時效后,在組織中析出一種彌散的金屬化合物,從而使該材料的抗拉強度提高。
工藝設(shè)計
發(fā)動機排氣歧管用六角頭螺栓,規(guī)格M8*20、M8*45,要求機械性能>7T級,硬度25HRCmin,抗拉強度Rm>780MPa。為此,我們進行了熱處理工藝探索。熱處理工藝試驗參考國外相關(guān)工藝,修正某些參數(shù),獲得符合要求的機械性能。同時,根據(jù)工廠的生產(chǎn)現(xiàn)狀,進行一些必要的摸索, 耐磨管道確定我們的生產(chǎn)方式與可行的熱處理工藝。
2.1 生產(chǎn)工藝流程
備料—固溶—冷鐓—再結(jié)晶退火—去應(yīng)力回火—切六角頭—搓絲—清洗—穩(wěn)定化處理—時效—著色上蠟。
冷鐓用耐熱0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼絲牌號化學(xué)成分符合GB/T1221或GB/T14992標準,固溶狀態(tài)交貨,室溫硬度≥200HRW。為了達到M8螺栓絲坯尺寸φ7.02-φ7.05必須經(jīng)過材料高溫拉拔,這時材料硬度可達到38HRc以上,不能進行冷鐓成型,應(yīng)進行固溶處理,以達到軟化的目的。
固溶
成品絲固溶溫度采用990±10℃保溫1.5h,然后水冷。固溶處理,就是將剛加熱至高溫,使碳化物得到充分溶解,然后迅速冷卻,得到單一奧氏體組織。經(jīng)固溶處理后,硬度最低、塑性韌度良好,硬度在17-20HRc,這時加工成型性能最好。
固溶處理采用井式滲碳加熱爐RQ3-90-9D設(shè)備。通常耐熱鋼熱處理保護氣氛主要是氬氣,但氬氣難以購買。一般可用放熱式氣氛或氮基氣氛,我們采用甲醇20-40d/min和氨氣0.15L/h、或氮氣0.30L/h保護,滴控式裝置控制。(以下再結(jié)晶退火830-850℃加熱;穩(wěn)定化處理830-850℃加熱,工序操作同)。
該鋼材固溶處理加熱時多采用預(yù)熱或分段加熱,由于螺栓絲坯直徑較小,加上形狀簡單,可在爐溫到達工藝溫度≤100℃(約900℃加熱)時入爐。
由于井式滲碳加熱爐分上、下區(qū)控溫,當(dāng)爐內(nèi)所有熱電偶指示溫度都達到工藝溫度(990℃)時,開始計算保溫時間90min。
再結(jié)晶退火
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼制M8*20、M8*45六角頭螺栓是采用二模二沖(雙擊整模)冷鐓機生產(chǎn),冷鐓成型后冷作硬化傾向比較大, 可調(diào)縮孔必須進行再結(jié)晶退火,溫度830-850℃、保溫2-3h,使用設(shè)備RQ3-90-9D,采用甲醇20-40d/min和氨氣0.15L/h、或氮氣0.30L/h保護。在該溫度下加熱時碳化物沿晶界及滑形線析出,硬度下降。后續(xù)再去應(yīng)力回火700-710℃,保溫2-3h,硬度在18-23HRc。雖然比冷鐓后硬度只是略有下降,但由于奧氏體晶粒進行再結(jié)晶退火后,在沖床切
六角頭邊時容易斷屑,抗變形能力下降,Cr12MoV鋼切邊模使用壽命可達2萬件以上。
最后的熱處理工藝
六角頭螺栓經(jīng)搓絲完工,要經(jīng)過清洗用堿性溶液洗凈磷化膜,便于在熱處理后著色(近似發(fā)黑顏色)。
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼合金元素鉻、鎳含量相對較低,故抗氧化的溫度僅在800℃以下,但是含彌散強化相形成元素(V、Al、Ti)量相對較高,在固溶體基體上可形成化合物強化相,罩型通氣管所以常用熱處理形式為固溶處理+時效。通過固溶處理,可以使合金固溶強化;通過時效處理,可以使合金析出細小強化相〔VC、Ni3Al、Ni3Ti,Ni3(Al﹒Ti)〕碳化物,從而提高室溫和高溫強度。
在固溶處理后螺栓經(jīng)過前幾道工序加工,為了獲得一定數(shù)量的碳化物使鋼強化必須進行調(diào)整處理,我們采用830-850℃穩(wěn)定化處理工藝,在此溫度范圍內(nèi),Cr23C6碳化物將溶解,保溫5h水冷或采用噴水冷卻,以快速通過析出碳化物的溫度區(qū)間,而TiC、VC碳化物仍然穩(wěn)定,由此提高螺栓的抗晶界腐蝕能力。
不論經(jīng)過何種調(diào)整處理后,螺栓還需進行時效處理,它是使鋼強化的途徑,由固溶體中析出彌散碳化物質(zhì)點而使鋼硬度提高。時效溫度選擇690-710℃,保溫12-16h空冷。
0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼固溶并時效處理后的顯微組織為奧氏體+彌散化合物,化合物量約為2.5%。
上述工藝試驗的結(jié)果表明時效處理的溫度和保溫時間對最終力學(xué)性能的影響甚小,時效處理溫度確定為700℃*12h。0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼在熱處理過程中, 籃式過濾器對溫度的要求相對敏感,特別是固溶處理溫度控制在±5℃,盡量偏下范圍。原材料拉拔后,晶粒粗大對成品螺栓外徑略有影響,在最后時效后,會造成外徑尺寸偏小。因此,原材料晶粒度不得粗于4級。
