亚温淬火对T217钢性能的影响

牛立群 解明 魏海东 李伟

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州 730050)

亚温淬火对T217钢性能的影响

牛立群 解明 魏海东 李伟

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州 730050)

通过对亚共析钢T217钢分别采取淬火+回火和淬火+亚温淬火+回火处理,探讨这两种工艺和亚温淬火的温度和保温时间对亚共析钢T217钢性能的影响,最后找出T217钢最佳亚温淬火热处理工艺。本文对于T217钢类似的钢种亚温淬火热处理工艺的制定具有一定的指导意义。

亚温淬火 T217钢 热处理 力学性能

钢热处理的主要工艺过程是加热和冷却。对于绝大多数热处理工艺而言，不论在加热和冷却过程中材料化学成分是否发生变化，都是通过改变材料的力学性能或物理性能、化学性能来改善材料的加工工艺性能或工件的服役能力[1]。低温冲击韧性作为材料的一个重要的性能指标，低温冲击性能是低温结构设计和选材的重要依据及评定标准。为了防止低温设备的脆性破坏，提高设备的可靠安全性，一般要求低温用材具有高的低温韧性[2]。本文以T217钢在低温环境下的实际应用为出发点，研究了经两种不同工艺热处理的T217钢在-40和-20℃下的冲击性能。基于此本文对T217钢经过亚温淬火处理的性能进行研究，为T217钢亚温淬火的热处理工艺的制定提供技术参考。

表1 T217钢原始成分(质量分数,%)

表2 T217钢亚温淬火与调质处理工艺获得力学性能的比较

1 材料的实验及方法

1.1 实验材料

本实验的原料为铸态的T217钢。试样的化学成分见表1。

1.2 热处理方案

(1)对T217钢进行880℃保温2小时，然后进行水淬水冷。

(2)然后将淬火后的试样进行不同温度(780、800和830℃)和不同保温时间2h、3h和5h的亚温淬火，最后将所有的试样在560℃下保温3h进行高温回火。

1.3 冲击试验

试验前检查摆锤空挡是否为零，其偏差不应超过最小分度值的四分之一，试验温度选为-20℃和-40℃两种情况，分别测得试样在一次冲击载荷下折断时的冲击吸收功AK(J)。

1.4 拉伸试样

参照GBT228-2002拉伸试样国家标准，采用Instron-5569型电子万能力学试验机进行常温压缩力学性能测试。分别测得屈服强度(Rel)和抗拉强度(Rm)。

2 试验结果及分析

2.1 亚温淬火与传统调质处理的比较

传统上一般采用淬火+高温回火(调质处理)来改变的钢的性能。根据经验公式AC3(℃)=910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W-(30Mn+11Cr+20Cu-700P-400Al-120As-400Ti，把T217钢的成分代入，算出AC3的温度大约为830℃，所以T217钢的淬火温度一般为880℃左右。亚温淬火是一种新型的、利用超细化复合组织强韧化的热处理工艺[3]。表2给出了T217钢亚温淬火工艺与传统调质处理工艺所获得力学性能的比较。由表2可知T217钢880℃淬火+800℃亚温淬火+560℃回火处理强度和塑性高于880℃传统调质处理的各项性能，而且-20和-40℃的低温冲击性能得到很大的提高。这说明了，亚温淬火对合金的低温冲击韧性很大的帮助。

2.2 亚温淬火温度对力学性能的影响

采用相同的预处理880℃水淬水冷，然后分别进行780、800、830℃保温2h水淬，进行560℃保温3h回火。图1亚温淬火温度对T217钢力学性能的影响。由图1可知，T217钢的屈服强度和抗拉强度随着亚温淬火的温度增大而增大;断面伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)和低温冲击功都在随着亚温淬火的温度升高而降低。根据铁碳相图，在两相区亚温淬火保温温度越大，铁素体的所占的体积分数越少，亚温淬火后残留铁素体的含量越少。由于铁素体的强度低、塑性好，它所占的体积分数必然会引起材料性能。亚温淬火的温度不同，淬火组织铁素体的含量也不同[4]。亚温淬火保留了一些残留的铁素体，这些铁素体可以有效降低马氏体中的位错的堆积量，吸收应变能减小应力集中，从而提高裂纹的形成和扩展能力。亚温淬火钢的性能与残留铁素体的所占体积分数有关，亚温淬火的温度决定残留铁素体的数量。

图1 亚温淬火温度对T217钢力学性能的影响

图2 亚温淬火保温时间对T217钢力学性能的影响

2.3 亚温淬火保温时间对力学性能的影响

炉中的工件应在规定的加热温度范围内保持适当的时间，保证必要的组织转变和扩散。保温时间与工件的有效厚度、钢种、装炉方式、装炉量、装炉温度、炉的性能及密封程度等因素有关[5]。采用相同的预处理880℃水淬水冷，然后进行800℃分别保温2、3、5h水淬，进行560℃保温3h回火。由图2可知，随着亚温淬火保温时间增加，T217钢的力学性能指标程下降的趋势。可能是保温时间的延长会导致氧化脱碳，马氏体中碳含量降低，强度硬度下降[6]。另一个原因就是保温时间增加，导致了晶粒的粗大，根据Hall-petch公式[7]，材料的综合力学性能指标下降。这是因为粗大的晶粒受到外力发生塑性变形不均匀，应力集中大;而且晶粒越粗大，晶界面积越小，晶界取向约平直，有利于裂纹的扩展。

3 结语

(1)与常规的调质处理相比，亚温淬火使T217的力学性能的指标有很大的提高，表明亚温淬火工艺能够调整材料的综合力学性能。

(2)亚温淬火的温度决定残留铁素体的数量，T217钢随着亚温淬火温度的升高，残留铁素体体积分数降低，钢的强度升高，塑性下降。亚温淬火的保温时间越长，强度、断面伸长率和断面收缩率都在下降，低温冲击功也在下降。

(3)T217钢经880℃淬火(2h)+800℃亚温淬火(2h)+560℃高温回火(3h)的热处理，屈服强度达655MPa，抗拉强度达到795MPa，-20℃和-40℃的低温冲击功分别达到了42J和27J。

[1]夏立芳.金属热处理工艺[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2010.

[2]赵义,王福.热处理工艺对17-4PH钢低温冲击性能的影响[J].金属热处理,2011,36(4)：21-24.

[3]张永峰,王任甫,牛继承.亚共析钢的亚温淬火及其强韧化[J].热加工工艺,2010,40(4)：163-166.

[4]顾晓辉,刘军,石继红.亚温淬火工艺对45钢组织和性能的影响[J].金属热处理,2011,36(11)：69-72.

[5]李泉华.材料热处理工程师资格考试指导书[M].北京：中国机械工程学会热处理分会,2008.

[6]孙岚.加热保温时间对5CrMnMo钢机械性能的影响机理[J].郑州大学学报,1997,29(4)：48-51.

[7]Liu M Y,Shi B,Wang C,et al.Normal Hall-Petch behavior of mild steel with submicron grains[J].Materials letters,2003,5(19)：2798-2802.

Aiming at an optimized heat treatment method, two different processes, namely quenching + tempering and quenching + subcritical quenching + tempering have been carried out to investigate the effect of the processing method, subcritical quenching temperature and holding time on the property of the T217 steel. Therefore, the present research enjoys a guiding significance in the heat treatment process of T217 steel and the like .

Subcritical quenching T217 steel Heat treatment Mechanical property

牛立群,1984年生,男,黑龙江大庆人,2014年毕业于哈尔滨工程大学材料学专业,助理工程师。