23CrNi3MoA钎具用钢热处理工艺对力学性能及显微组织的影响

2018-05-12张伟王青海刘得胜王磊段发旺窦玉龙王国存

凿岩机械气动工具 2018年1期

关键词：冲击韧性等温淬火

张伟，王青海，刘得胜，王磊，段发旺，窦玉龙，王国存

（西宁特殊钢股份有限公司，青海西宁 810005）

0 前言

23CrNi3MoA钢做为低碳高镍铬钼钢，热处理后具有良好的力学性能，做为钎头、钎尾及重型钎杆用原材料近年来已在钎具制造行业广泛应用。

有研究表明23CrNi3MoA钎尾在830℃油淬480℃回火2h时具有高强度、高韧及较高的疲劳强度，可提高液压凿岩机钎尾的疲劳寿命[1]，也有研究表明钢在820～860℃淬火时有着良好的强韧性[2]。

本实验依托西宁特钢工艺装备进行全面升级改造，在110 t Consteel电炉，410×530 mm三机三流大方坯连铸机、精品特钢大小棒线的基础上，结合西宁特钢多年生产高品质钎具钢的生产经验，对所生产的23CrNi3MoA钢在试验室条件下采用不同的淬火、回火及等温处理工艺，获得相应的力学性能及显微组织，为23CrNi3MoA钎具产品的热处理提供依据。

1 试验材料与方法

试验用钢采用西宁特钢生产的23CrNi3MoA钎具钢，其生产工艺为：电弧炉冶炼→LF炉外精炼→真空脱气→模铸钢锭→钢锭缓冷、退火→表面检查、清理→加热炉加热、开坯机开坯→方坯缓冷保温→步进梁式加热炉加热→连轧机组产材→坑冷保温→退火→精整→检验→联合探伤→上交。

23CrNi3MoA钢的牌号及化学成分见表1。

所有试样的热处理淬火加热均在同一10 kW电阻炉中进行，控温精度±1℃；所有等温处理均在同一硝盐炉中进行；低温回火在15 kW井式炉中进行。

力学性能、热处理：拉伸测试在万能试验机上进行，冲击韧性在JB-30B试验机上进行，TH301型数显洛氏硬度计测试硬度。

采用4%硝酸酒精溶液进行组织浸蚀，利用光学显微镜观察显微组织。

2 结果与分析

2.1 淬火+回火处理

2.1.1 淬火+回火处理工艺下的力学性能

直接淬火+回火处理后的力学性能见表2。

表1 钢的牌号及化学成分

表2 直接淬火+回火处理后的力学性能

23CrNi3MoA钢直接淬火+回火处理后，试样的抗拉强度和屈服强度均较高，同时也具有较好的伸长率和断面收缩率及良好的冲击韧性。

2.1.2 淬火+回火处理工艺下试样的显微组织

920℃×1 h油淬火+200℃×2 h空冷回火处理后，试样的组织为回火马氏体+细质点状碳化物，具体见图1。

图1 直接淬火+回火处理后23CrNi3MoA的显微组织

2.1.3 淬火温度和淬火保温时间的影响分析

淬火温度对23CrNi3MoA力学性能的影响见图2。淬火温度对屈服强度和抗拉强度的影响不大。随着淬火温度的升高，冲击功Aku明显升高。随着淬火加热温度升高，伸长率和断面伸缩率出现先减小后增加的现象。这是因为随淬火加热温度升高，合金碳化物逐渐分解，合金元素C在奥氏体中的溶解量增加，合金元素的分布均匀性变好，淬火和回火组织更加均匀。结合23CrNi3MoA钢在加热过程中的奥氏体晶粒长大倾向[3]，最佳淬火温度选择为920℃。

淬火保温时间对23CrNi3MoA力学性能的影响见图3。淬火保温不同时，屈服强度、抗拉强度没有明显的变化，Aku值略微升高，随着淬火保温时间的延长，对强度和冲击韧性的影响不大。随着淬火保温时间的增加，延伸率和断面伸缩率先是升高，但当淬火保温时间超过45 min时，断面伸缩率出现下降。考虑碳和合金元素均匀化，保证充分奥氏体化以及保持较细的奥氏体晶粒，选择最佳的淬火保温时间为45min。

图2 淬火温度对23CrNi3MoA力学性能的影响趋势

图3 淬火时间对23CrNi3MoA力学性能的影响趋势

2.1.4 回火温度和回火保温时间的影响分析

回火温度对23CrNi3MoA力学性能的影响趋势见图4，随回火温度的升高，屈服强度、抗拉强度和AKu2值变化不大，伸长率呈现出先降低后升高的趋势，断面伸缩率呈上升趋势。考虑到23CrNi3MoA在220℃下回火时会析出较多的细小的碳化物颗粒，使试样的塑性降低，因此回火温度不宜过高。因此，选择200℃作为最佳的回火加热温度。

回火保温时间对23 CrNi3 MoA力学性能的影响见图5。随着回火保温时间的延长，屈服强度缓慢降低，抗拉强度、冲击韧性和断面伸缩率变化不大，伸长率有所上升。考虑其综合性能最优，回火保温时间定为2 h。

图5 回火时间对23CrNi3MoA力学性能的影响趋势

2.2 等温淬火处理

2.2.1 不同等温温度对淬火处理后的力学性能的影响

2.2.1.1 试样的力学性能

23CrNi3MoA钢在860℃透烧保温45min后在不同等温温度下保温2h后空冷至室温的力学性能见图6，整体在260℃～290℃温度等温时试样的抗拉强度比较稳定，屈服强度随着等温温度的提高略有提高，伸长率和断面收缩率指标均变化不大，冲击韧性在260℃等温时数值最高，相对而言冲击韧性也是比较稳定的；320℃等温时试样的抗拉强度和屈服强度开始降低。

图6 860℃淬火加热温度下不同温度等温淬火处理后的力学性能变化趋势

对23CrNi3MoA钢在不同等温温度下保温后的试样的力学性能进行比较，在290℃等温时试样的力学性能最优。

2.2.1.2 试样的显微组织

23CrNi3MoA钢在不同等温温度保温后空冷至室温的试样的显微组织见图7。由图6所测定的洛氏硬度并结合图7的显微组织可知：230-290℃温度等温时试样的显微组织为马氏体，且随着等温温度的提高，组织和硬度变化不大；320℃等温时试样的显微组织为马氏体+少量贝氏体及少量细质点状碳化物的混合组织，硬度开始有所下降。

2.2.2 淬火加热温度的变化对290℃等温处理后的力学性能及组织的影响

2.2.2.1 试样的力学性能

23CrNi3MoA 钢在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃不同的淬火温度下保温45 min后，淬入290℃硝盐炉等温2 h时后出炉空冷，试样的力学性能见图 8。在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃加热时抗拉强度、断面收缩率及伸长率比较稳定，屈服强度在860℃时较高，但冲击韧性略低，在830℃淬火处理时冲击韧性最高。

2.2.2.2 试样的显微组织

23CrNi3MoA 钢在 830℃、860℃、890℃、920℃、950℃不同的淬火温度下保温45 min后，淬入290℃硝盐炉等温2 h时后出炉空冷，试样的显微组织见图9。显微组织为马氏体，随着淬火温度的升高，试样的显微组织变化不大。

图7 860℃淬火加热温度下不同等温温度淬火处理后的显微组织

图8 不同淬火加热温度下290℃等温淬火处理后的力学性能变化趋势

2.3 分析

有资料对23CrNi3MoA连续冷却相变的组织进行测定分析，冷却速度在0.5-5℃／s的范围内时，23CrNi3MoA钢的组织中有少量细小贝氏体组织，冷速＞5℃／s后组织均为马氏体组织[4]。

对比表2和图2至图6、图8中的热处理工艺及试样的力学性能检测结果，可以看出，对23CrNi3MoA钢而言，经过直接淬火+回火处理和一定范围温度的等温淬火处理，钢的力学性能变化不大。

对比图1、图7和图9的显微组织，经过直接淬火+回火处理和一定范围温度的等温淬火处理，23CrNi3MoA钢的显微组织变化不大。

闫永民等人的研究同样表明[5]，23CrNi3MoA钢在热处理过程中淬火保温时间决定了碳化物能否全部回溶，回火温度的高低是碳化物能否析出的关键，碳化物的存在对冲击韧性造成不良影响，应避免碳化物的存在，因此对23CrNi3MoA钢的淬火保温时间的选择≥45 min，回火温度≤200℃。

在实验室条件下，直接淬火+回火处理和在860℃加热+260℃～320℃温度等温处理时力学性能差别不是非常大，均具有较高的强度兼具良好的塑性和韧性，从某种意义上来说，直接淬火和等温淬火处理因其冷却速度上存在差异，所获得的力学性能可对不同直径零件经淬火处理后的不同部位的力学性能提供一定的参考，从材料的适用性来说23CrNi3MoA钢可适应较大的规格范围及较大范围的热处理工艺参数的调整。因此，对于23CrNi3MoA钢热处理工艺参数的选择，根据零件的大小来及时做出调整，大规格零件选用更高一些的淬火加热温度和略低一些的等温温度或者直接淬火+低温回火处理。

与其它合金钢相比，如不考虑渗碳处理及渗碳处理后的热处理工艺对渗碳层及过渡层的性能的影响，23CrNi3MoA钢的适用性更广，对装备的要求相对更低。同时也从直接淬回火处理及等温淬火处理后的力学性能及组织变化上来看，对23CrNi3MoA钎具产品的热处理，渗碳工艺是关键。

图9 不同淬火加热温度下290℃等温淬火处理后的显微组织

3 结论

（1）直接淬火+回火处理工艺，热处理工艺参数对强度的影响不大，对塑性影响较为明显，23CrNi3MoA钎具钢的最佳热处理工艺为：920℃×45min油淬+200℃×2h回火，回火后空冷至室温。

（2）等温处理，23CrNi3MoA 钎具钢在 230℃～290℃温度等温处理时试样的抗拉强度比较稳定，屈服强度随着等温温度的提高略有提高，伸长率和断面收缩率指标均变化不大，冲击韧性在260℃等温时数值最高，整体而言在此温度范围进行等温处理时力学性能相对比较稳定，显微组织为马氏体，随等温温度的变化显微组织变化不大；320℃等温时试样的抗拉强度和屈服强度开始降低。

（3）等温处理，23CrNi3MoA钎具钢在830℃、860℃、890℃、920℃、950℃加热，290℃等温淬火后力学性能相对比较稳定，显微组织均为马氏体组织，且随淬火温度的波动显微组织变化不大，考虑晶粒长大因素及零件规格因素，淬火加热温度可选择830℃～920℃。