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            1. 熱處理對不銹鋼管00Cr18Ni10N組織和性能的影響

              通過對新型奧氏體不銹鋼管00Cr18Ni10N的熱處理工藝試驗,研究了不同固溶溫度、冷卻方式和保溫時間對其組織性能的影響。結果表明,隨著固溶溫度的升高,00Cr18Ni10N鋼晶粒變大,力學性能降低,塑性提高。隨著保溫時間的延長,拉伸強度、屈服強度和硬度都有所降低,斷后伸長率略有提高,沖擊韌性和斷面收縮率變化并不顯著。雖然冷卻方式對其力學性能和晶粒大小的影響并不是很明顯,但在1050淬火,采用水冷可以到達更好的綜合性能。因此,00Cr18Ni10N鋼采用1050固溶、保溫1h后水冷的熱處理工藝具有良好的組織和強韌性配合。

              奧氏體不銹鋼管不銹鋼管的重要組成部分,產量約占不銹鋼管總產量的65%70%。由于它具有優良的耐腐蝕性,較好的力學性能和加工性能,廣泛應用在各個領域。隨著工業應用環境更加苛刻,傳統奧氏體不銹鋼管面臨晶間腐蝕問題。不銹鋼管晶間腐蝕是由于在一定受熱條件下沿晶界析出Cr3C6碳化,進而引起晶界區域貧鉻所致,因而將鋼中的碳含量降至溶解度極限以下C<0.03%是解決此問題的有效途徑。隨著冶金工業新技術的發展,發展的00Cr18Ni10N等超低碳奧氏體不銹鋼管,因為較低C含量避免了晶間腐蝕現象的發生,其耐晶間腐蝕性能好,在不同溫度和濃度的各種強腐蝕介質中均有良好的耐蝕性,冷變形、深沖壓、切削性、可焊性都很好,在航空領域的系統部件上得到了應用。

              奧氏體不銹鋼管的成分、變形方式和熱處理工藝等都會對微觀組織比如亞結構、晶粒尺寸產生影響,進而影響其力學性能。關于傳統奧氏體不銹鋼如304、316不銹鋼板、帶材的微觀組織和力學性能的研究比較多。研究表明,固溶溫度與合金中第二相的溶解以及溶解時擴散的速度密切相關,合適的固溶溫度不僅可以使第二相得到充分的溶解,而且可以加快難溶相的擴散速度。溫度低、擴散速度小,達到相同的固溶效果需要的時間就越長。但溫度過高,晶粒之間相互吞并,晶粒容易變得粗大,從而降低材料的力學性能。奧氏體不銹鋼管通過10501150的固溶處理,可以讓碳化物溶于奧氏體中,然后采用水淬快冷,將奧氏體保持到室溫下,從而提高不銹鋼管的抗晶間腐蝕性能。00Cr18Ni10N超低碳奧氏體具有較低的C含量,采用傳統奧氏體不銹鋼管的固溶處理工藝,由于間隙原子C的減少會弱化固溶強化效果[7]。因此,研究超低碳不銹鋼管熱處理工藝對其組織與力學性能影響的演化規律,并在此基礎上通過合理的工藝處理使不銹鋼管具有高強度與塑性的良好配合具有重要意義。

              本文采用超低碳奧氏體不銹鋼管00Cr18Ni10N作為實驗材料,通過研究不同固溶溫度、保溫時間和冷卻方式對該鋼的力學性能和組織的影響規律,得到最優的熱處理工藝方案使其獲得最佳的綜合力學性能。

              1試驗材料與方法

              1.1試驗材料

              試驗材料為00Cr18Ni10N,其化學成分見表1。試驗試件是從改鍛后的30的棒材毛坯上獲得。力學性能測試所用拉伸和沖擊試樣見圖1、2。試樣經粗加工后進行不同工藝熱處理,熱處理后精加工,最后完成力學性能測試。

              1.2試驗方法

              力學試樣分別選取950、980、1000、1030、1050、1100、12007個溫度,保溫1h,再分別在每個溫度進行水冷和空冷兩種冷卻方式,來比較不同固溶溫度和不同冷卻方式對力學性能和組織的影響。然后在10001050采用5個不同的保溫時間進行水淬,分別為10、30、60、120、240min,比較保溫時間對其力學性能和組織的影響。

              1.3試驗設備

              固溶處理在臺車式電阻加熱爐RF2-110-12/FD中進行,將試樣在Instron1196試驗機上進行拉伸試驗,試樣直徑為10mm,標距長度為50mm;JB230B沖擊試驗機上進行沖擊試驗,沖擊為夏比U型缺口試樣,載荷為15N;采用A-200型硬度測量儀測量試樣的布氏硬度HB,壓頭為硬質合金球,直徑為2.5mm,載荷砝碼為187.5kg。利用Leica DM LM型顯微鏡觀察晶粒度。

              2試驗結果與分析

              2.1固溶溫度和冷卻方式對鋼力學性能和組織的影響

              3給出了不同溫度淬火對鋼的拉伸強度σb、屈服強度σ0.2、沖擊韌性Aku和硬度HB的影響。結果表明,σb、σ0.2HB均隨著固溶溫度升高而降低,Aku先隨著固溶溫度升高而增加,980后隨著溫度的升高而降低。同時斷面收縮率δ和斷后伸長率ψ均稍有提高。圖4給出了不同溫度淬火后的晶粒大小,可以看出隨著固溶溫度升高,碳化物越來越多地溶解進入奧氏體,晶粒變得粗大,從而影響了其上述力學性能。根Hall-Petch公式

              σy=σo+κyd1/2

              其中,σy為屈服或者時彈性極限應力,σo為真實流動應力,kHall-Petch系數,d為晶粒尺寸。晶粒越細,晶界越多,位錯運動過程中受到的阻滯就越多,因此強度越高[9-10]。提高固溶溫度能加速奧氏體的形成和均勻化過程,但同時增大了碳化、氮化物和碳氮化物在基體中的溶解度,提高了奧氏體的穩定性,淬火后,鋼中的殘余奧氏體數量就增多,從而降低了抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性和硬度,但提高了其塑性[11]。在1050淬火使鋼達到了最佳強韌性能配合。從圖4還可以看出,水冷和空冷兩種冷卻方式對其力學性能和晶粒大小的影響并不是很明顯。但在1050淬火,采用水冷可以到達更好的綜合性能。

              2.2保溫時間對鋼力學性能的影響

              從上述固溶溫度中,選取10001050作為實驗溫度,對試樣分別進行10、30、60、120、240min保溫,然后水淬。從圖5可以看出,10001050固溶處理,隨著保溫時間的延長,拉伸強度、屈服強度和硬度都有所降低,斷后伸長率略有提高,沖擊韌性和斷面收縮率變化較為平緩。固溶處理保溫1h,該鋼的綜合性能較好,具有好的強度和塑性配合而且1050淬火與1000淬火比較,力學性能指標相對較低,塑性指標較好。

              這也驗證了前面得出的隨著固溶溫度升高力學性能下降、塑性提高的變化規律。保溫時間不夠長時,碳化物溶解不充分和奧氏體均勻化程度降低,淬火后得不到均質的淬火組織,使鋼熱處理后的力學性能降低;保溫時間過長,雖然得到碳化物的充分溶解和奧氏體的均勻化,但會導致脫碳和奧氏體的晶粒長大,且使淬火后鋼中含有較多的殘余奧氏體。由此可知,奧氏體形成時碳化物溶解的程度和奧氏體中成分的均勻程度,對奧氏體不銹鋼管熱處理后組織與性能的影響非常大。

              3結論

              本文通過對新型奧氏體不銹鋼管00Cr18Ni10N不同熱處理工藝的試驗,研究了不同固溶溫度、冷卻方式和保溫時間對其組織性能的影響,得到結論如下

              1)隨著固溶溫度的升高,00Cr18Ni10N鋼晶粒變大,力學性能降低,塑性提高。

              2)在1050保溫1h,水冷熱處理工藝下00Cr18Ni10N鋼具有良好的強韌性綜合性能(σb=607MPa,σ0.2=283MPa,Aku=423J,HB=158,δ=53.4%,ψ=82.9%)。

              3)固溶溫度比保溫時間和冷卻方式對00Cr18Ni10N鋼的力學性能和組織影響更加明顯。

              文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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