奧氏體不銹鋼的冷加工強(qiáng)化及去應(yīng)力處理
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-11-12
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奧氏體不銹鋼的冷加工強(qiáng)化及去應(yīng)力處理
奧氏體不銹鋼不能用熱處理方法強(qiáng)化,但可以通過冷加工變形得以強(qiáng)化(冷作硬化、形變強(qiáng)化),會使強(qiáng)度提高、塑性下降。
1.奧氏體不銹鋼冷加工強(qiáng)化的理論基礎(chǔ)和影響因素
奧氏體不銹鋼冷變形強(qiáng)化的理論和效果與馬氏體不銹鋼及其他金屬相比,有其特殊性。
按一般的冷變形強(qiáng)化理論,許多金屬材料在冷加工變形過程中,會由于晶體產(chǎn)生缺陷、點(diǎn)陣畸變、位錯、亞結(jié)構(gòu)等使晶體滑移受到阻力,從而使金屬得到強(qiáng)化。
奧氏體不銹鋼在冷加工變形過程中,除了產(chǎn)生如同其他金屬材料的冷加工強(qiáng)化現(xiàn)象外,還會因在形變過程中,有部分穩(wěn)定性差的奧氏體轉(zhuǎn)變成為馬氏體,而增加了奧氏體不銹鋼的強(qiáng)化效果。
如前所述,奧氏體不銹鋼由于M點(diǎn)低于室溫,一般情況下,其室溫組織為奧氏體,不會發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變過程。但是,受合金元素的影響,奧氏體的穩(wěn)定程度有所不同,有的很穩(wěn)定,有的是相對不穩(wěn)定的,稱其為亞穩(wěn)定奧氏體。穩(wěn)定性強(qiáng)的奧氏體在接受冷加工變形時,仍保持奧氏體組織,而穩(wěn)定性差的奧氏體在冷加工變形過程中,會有一部分奧氏體發(fā)生向馬氏體的轉(zhuǎn)變。這個由于冷加工變形引起亞穩(wěn)定奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度記Ma,一些研究表明,M4高于M170~350℃,在室溫以。M4點(diǎn)越高,說明奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變越容易發(fā)生。影響M點(diǎn)溫度,或者說影響奧氏體不銹鋼冷加工變形強(qiáng)化的因素很多,如鋼的化學(xué)成分、冷加工變形度、冷加工變形溫度等。下面重點(diǎn)說明化學(xué)成分和冷加工變形度的影響效果。
(1)化學(xué)成分的影響。合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形強(qiáng)化的影響是復(fù)雜的,綜合各方面的研究報(bào)道,基本觀點(diǎn)如下:
①對屈服強(qiáng)度的影響。奧氏體不銹鋼冷變形過程中,在發(fā)生屈服前,由于冷變形量不大,不至于引起大量奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,此時,強(qiáng)化效果主要是原來固溶于奧氏體中的合金元素的固溶強(qiáng)化作用結(jié)果,所以,填隙型合金元素,如碳、氮等作用較大,亦即含碳、氮較多的奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度較高。
②對破斷(抗拉)強(qiáng)度的影響。奧氏體不銹鋼在冷變形發(fā)生屈服后,變形量較大,強(qiáng)化效果明顯了,此階段影響奧氏體穩(wěn)定性的因素起主導(dǎo)作用,即降低奧氏體穩(wěn)定性的合金元素影響較大,如硅、鉬、鉻增加冷變形強(qiáng)化效果、提高抗拉強(qiáng)度,而鎳、銅則減小冷變形強(qiáng)化的效果,降低抗拉強(qiáng)度。
實(shí)際上,合金元素對奧氏體不銹鋼冷加工變形的強(qiáng)化作用是復(fù)雜的,以碳為例,碳既有對奧氏體固溶強(qiáng)化,從而提高奧氏體不銹鋼冷加工變形強(qiáng)化的作用,也有穩(wěn)定奧氏體,使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生困難,從而降低奧氏體不銹鋼冷加工變形強(qiáng)化的作用。而且,還會依碳含量的不同,作用程度也不同。圖3-5顯示了碳對兩種奧氏體不銹鋼冷加工強(qiáng)化的影響效果。
從圖3-20可見,當(dāng)鉻量相同時,鎳的硬化效果隨其含量的增加而減小,這是由于鎳穩(wěn)定了奧氏體,影響了奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)果。圖3-5含鉻相同而含鎳不同的兩條曲線也驗(yàn)證了這個結(jié)論。
在鎳≤12%的范圍內(nèi),當(dāng)鎳含量相同時,鉻的硬化效果隨鉻含量的增加而減小,這是因?yàn)殂t的增加會使組織中產(chǎn)生8鐵素體,從而使可向馬氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體比例減少。同時,鉻作為合金元素,對奧氏體的轉(zhuǎn)變點(diǎn)M4也產(chǎn)生一定的降低作用,減弱了發(fā)生轉(zhuǎn)變的可能性。
在鎳≥14%的范圍內(nèi),鉻對硬化效果的作用不明顯了,這可能是因?yàn)榇藭r的奧氏體已經(jīng)很穩(wěn)定了,冷加工變形已不再使奧氏體發(fā)生向馬氏體轉(zhuǎn)變,鉻只起到固溶強(qiáng)化的作用,隨鉻含量的增加,硬化效果也略有增加。
(2)冷加工變形度的影響。奧氏體不銹鋼冷加工變形強(qiáng)化的效果與冷加工變形度有較大的關(guān)系。一般規(guī)律是隨冷加工變形度的增加,強(qiáng)化效果增大,即屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度提高,而且屈強(qiáng)比也顯著提高,有文獻(xiàn)報(bào)道,固溶狀態(tài)奧氏體不銹鋼屈強(qiáng)比般為30%~45%;而冷加工變形強(qiáng)化后,依變形度不同,屈強(qiáng)比最高可達(dá)85%~90%,這在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中也得到了證明,奧氏體不銹鋼冷加工變形度達(dá)到10%~12%時,屈強(qiáng)比即可達(dá)到70%~75%。當(dāng)然,隨著強(qiáng)度的增加,其塑性和沖擊韌性將有明顯的降低。圖3-21及表3-4均顯示出了奧氏體不銹鋼隨冷加工變形度的增加對力學(xué)性能的影響。
還有,隨著冷加工變形度的增加,奧氏體不銹鋼的磁導(dǎo)率也明顯增加,這也說明,隨著冷加工變形度的增加,奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變量增加了。
冷加工變形雖可使奧氏體不銹鋼強(qiáng)化,但需要對其進(jìn)行大的冷加工變形,這對于截面較大或形狀復(fù)雜的零部件,在工藝上難以實(shí)現(xiàn)。
此外,由于冷加工變形后,鋼的塑性、韌性指標(biāo)下降,又因有較大的應(yīng)力,會在應(yīng)力腐蝕環(huán)境中增加應(yīng)力腐蝕的敏感性,所以,在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。
2.冷加工變形強(qiáng)化后的去應(yīng)力處理
奧氏體不銹鋼或制品(彈簧,螺栓等)經(jīng)冷加工變形強(qiáng)化后,存在較大的加工應(yīng)力,這種應(yīng)力的存在導(dǎo)致在應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用時,增加了應(yīng)力腐蝕的敏感性,影響尺寸的穩(wěn)定性。為減小應(yīng)力,可采用去應(yīng)力處理(有的叫應(yīng)力松弛處理)。一般是加熱到280-400℃保持2~3h后空冷或緩冷。去應(yīng)力處理不僅可減少制件的應(yīng)力,還會在延伸率無大改變的情況下,使硬度強(qiáng)度及彈性極限得到提高,見圖3-22和表3-5
造成困難,還會因?yàn)檫@部分馬氏體過飽和碳及合金的量不足,達(dá)不到理想的硬度,也會影響最終的沉淀強(qiáng)化效果,得不到理想的硬度和強(qiáng)度,還影響材料的彈性,所以,對于用0Cr17N7A制造的彈性件的熱處理更應(yīng)注意這一問題
2.調(diào)整處理
調(diào)整處理的作用是通過加熱使奧氏體中的合金碳化物析出,降低奧氏體的穩(wěn)定性,從而提高馬氏體轉(zhuǎn)變溫度,以保證奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,調(diào)整加熱溫度不同,對馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的改變程度也不同,冷卻后馬氏體量也不同,從而反映出硬度上的差別
目前,0Cr17Ni7A在實(shí)際生產(chǎn)中的調(diào)整處理一般有兩種溫度選擇。
一種是當(dāng)對鋼的強(qiáng)度要求不高時,可采用760℃左右的溫度加熱,M點(diǎn)可提高到70℃左右,冷卻后,基體是馬氏體組織,馬氏體中的碳和合金元素有一定程度的過飽和。然后再進(jìn)行時效處理。
第二種情況是對鋼的強(qiáng)度要求很高時,可采用960℃左右的加熱溫度,此時鋼的M,點(diǎn)在-70~-60℃,冷卻后,基體是碳和合金充分過飽和的奧氏體,然后應(yīng)再進(jìn)行一次-73℃左右的冷處理,得到馬氏體組織。這種馬氏體中的碳和合金元素的過飽和程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)760℃左右溫度調(diào)整得到的馬氏體中碳和合金元素的過飽和程度。所以,高溫調(diào)整處理并經(jīng)冷處理后得到的馬氏體基體強(qiáng)度高,經(jīng)時效后,沉淀強(qiáng)化的效果也大。有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,0Cr17Ni7Al鋼經(jīng)固溶—960℃調(diào)整73℃冷處理
時效處理的強(qiáng)度比固溶—760℃調(diào)整—時效處理的強(qiáng)度能提高20%左右。
調(diào)整處理的作用是調(diào)整M,點(diǎn),調(diào)整處理溫度的準(zhǔn)確程度對處理效果的影響相似于固溶處理。
0c17N7A經(jīng)調(diào)整處理,M,點(diǎn)上升50-90℃,而M點(diǎn)仍然是很低的,所以,為保證調(diào)整處理組織的更好轉(zhuǎn)變,調(diào)整處理時要保證充分的冷卻。
3.冷處理
0Cr17N7A冷處理的目的是使調(diào)整處理后還存在的奧氏體能繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變。冷處理一般采用-73℃,較長時間地保持,通常保持h以上,以確保奧氏體的充分轉(zhuǎn)變。采用-73℃保溫是因?yàn)檫@個溫度已經(jīng)低于經(jīng)過調(diào)整處理(960℃左右調(diào)整)后的M,溫度。由于是在極低的溫度下轉(zhuǎn)變,才需要有較長的等溫保持時間。處理后再經(jīng)時效處理,使材料獲得高的強(qiáng)度和韌性配合的綜合機(jī)械性能。
為保證好的冷處理效果,要注意在調(diào)整處理后盡快進(jìn)行冷處理,最好不超過1h,最多不要超過8h,因?yàn)榉胖脮r間長了會促使奧氏體的穩(wěn)定化,影響冷處理效果。
4.冷變形處理
0Cr17i7A鋼的冷變形加工處理,主要是指為獲得絲材、薄板材、帶材的冷加工變形過程。
冷加工變形度會影響M4溫度,從而影響獲得的馬氏體量、最終反映在沉淀硬化后的硬度和強(qiáng)度不同。有試驗(yàn)研究表明,冷變形加工量大于50%時,才會突顯強(qiáng)化作用。冷變形量越大,時效后沉淀強(qiáng)化的效果越明顯,見表5-6
化合物。時效溫度的確定主要是根據(jù)對性能的要求和時效處理前的經(jīng)歷程序。目前,通常使用的方式有以下幾種。
(1)固溶處理后采用760℃左右溫度調(diào)整處理,時效溫度采用560℃左右,空冷。
(2)固溶處理后采用960℃左右溫度調(diào)整處理,再進(jìn)行73℃左右溫度冷處理,時效溫度采用510℃左右,空冷。
(3)固溶處理后采用冷加工變形時(如冷拉絲、冷軋板等),時效溫度采用490℃左右,空冷。
時效處理的溫度控制要更精確,最好控制在工藝溫度±5℃范圍內(nèi),時效保溫時間一般要比固溶保溫時間延長1~2倍。以保證沉淀相的充分析出。