机械抛光后的时效工艺对0Cr25Al5电热合金拉拔性能的影响

胡 静， 陶 科， 杨庆松， 李 刚， 张德汉

(北京首钢吉泰安新材料有限公司， 北京 102206)

机械抛光是用于去除铁铬铝电热合金轧制后表面氧化膜的一种新型去氧化膜技术，其优点是替代酸碱复合酸洗工艺，对环境起到保护作用，但机械抛光使铁铬铝电热合金表面温度迅速升高，力学性能快速下降，导致其在后续拉拔过程中模具损耗以及断丝率明显上升，成材率显著下降，造成巨大损失。针对此问题，本文对0Cr25Al5电热合金丝机械抛光前后以及不同时效工艺处理后的力学性能、显微组织以及析出相等进行分析对比，提出了有效的解决方案，并通过实际生产进行了验证，为制定机械抛光后的热处理工艺提供数据支持与技术保障。该方案不仅解决了0Cr25Al5铁铬铝电热合金机械抛光后力学性能降低的问题，同时还可以使生产过程中出现的模具损耗以及断丝率明显下降，彻底解决了机械抛光给0Cr25Al5电热合金带来的不利影响。

1 试验材料与方法

试验材料为0Cr25Al5电热合金丝材，其化学成分如表1所示。将0Cr25Al5电热合金丝在井式炉中进行840 ℃×3 h水淬的热处理，烘干后用PART-C机械抛光去氧化膜设备进行机械抛光以去除其表面氧化膜，然后再进行不同温度(150、250、350 ℃)和不同时间(1、2、3 h)的时效处理，最后空冷至室温。根据后续拉拔工艺要求，合金的力学性能需满足：抗拉强度650～750 MPa，硬度200～350 HV，伸长率>13%。

表1 0Cr25Al5电热合金的化学成分(质量分数，%)

取规格为φ4.0 mm×20 mm的试样，采用UTM5105电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸速率0.5 mm/min；采用MVK-E显微硬度计测试试样的硬度，加载载荷500 g，加载时间15 s，同时利用u-X360s X射线残余应力分析仪进行残余应力测试；试样表面经打磨、抛光、王水腐蚀后清洗吹干，然后利用XSP-02D光学显微镜对试样横截面显微组织进行观察，并利用SPEM-500型扫描电镜(SEM)以及能谱分析仪分析析出相形貌和氧化膜成分。

2 试验结果与讨论

2.1 析出相与显微组织

2.1.1 机械抛光前后的析出相与显微组织

图1为0Cr25Al5电热合金机械抛光前后的显微组织与析出相形貌。可以看出：机械抛光前，晶粒平均尺寸为20～30 μm，晶粒度为7.5级，晶界与晶内基本无析出相析出；机械抛光后，晶粒平均尺寸为15～25 μm，略有细化，晶粒度为8.0级。这主要是由于试样的丝径很小而机械抛光时间较长，在机械抛光时温度升高至200 ℃ 左右，会影响到组织内部，使亚结构强化，形成亚晶界所致[1-2]，但由于机械抛光产生热量不足以完全激活碳原子，碳原子只能在短距离内扩散，形成微小的碳化物，碳化物析出后，使周围局部贫碳，远处的碳浓度保持不变[3-4]，碳化物析出相集中于晶界处分布，其形状主要以棒状及针状为主，并伴有少量球状析出相，尺寸为1～2 μm。对析出相成分进行EDS分析，结果如图2所示，可见，其成分主要为Cr3C2，由于C与Cr的原子半径比(rC/rCr)大于0.59，所以其具有复杂密排结构，为M3C型的正交点阵，其硬度、熔点较低，生成热绝对值较低，导致析出相稳定性较差[5-6]。

图1 0Cr25Al5合金的显微组织(a, b)与析出相形貌(c, d)(a,c)机械抛光前；(b,d)机械抛光后Fig.1 Microstructure(a,b) and precipitates morphologies(c,d) of the 0Cr25Al5 alloy(a,c) before mechanical polishing； (b,d) after mechanical polishing

图2 0Cr25Al5合金机械抛光后的析出相EDS分析Fig.2 EDS analysis of the precipitates in the 0Cr25Al5 alloy after mechanical polishing

2.1.2 时效处理后的析出相与显微组织

图3为0Cr25Al5电热合金经250 ℃时效不同时间后的显微组织与析出相分析。可以看出，时效1 h时，晶粒度与机械抛光后的相比几乎不变，为8.0 级，析出相基本为球形，尺寸较小，分布较为集中且多分布于晶界处，其成分为Cr7C3，是由机械抛光后的析出相Cr3C2溶解并以离位析出的方式重新形成的。时效 2 h 时，晶界较时效1 h时增多，晶粒度为 8.5 级，且析出相数量增加，形状为球形，尺寸增大，分布均匀，多集中于晶界处，但晶内有少部分析出，其成分为Cr7C3。时效3 h时，晶粒度为7.5级，析出相数量进一步增加，尺寸进一步增大，分布均匀，且晶内数量增多，成分未发生变化，仍为Cr7C3。这主要是由于时效开始时过饱和固溶体在母相上富集，对位错起到的钉扎作用较小，晶粒长大速度大于形核速度，随着时效过程的进行，时效2 h时，析出相与母相基本保持共格关系，对位错阻碍作用达到最大，此时晶粒的形核速度大于长大速度，晶粒进一步细化。随着时效时间进一步延长至3 h，基体中溶质原子析出匮乏，析出速度减慢，析出相进一步长大且粗化，位错绕过析出相，且晶粒进一步长大[7-9]。

图3 0Cr25Al5合金经250 ℃时效不同时间后的显微组织(a～c)、析出相形貌(d～f)和EDS分析(g～i)Fig.3 Microstructure(a-c),precipitates morphologies(d-f) and EDS analysis(g-i) of the 0Cr25Al5 alloy after aging at 250 ℃ for different time(a,d,g) 1 h； (b,e,h) 2 h； (c,f,i) 3 h

2.2 力学性能

2.2.1 硬度、抗拉强度和伸长率

图4为0Cr25Al5电热合金试样的力学性能。可以看出，各试样的硬度、抗拉强度及伸长率均满足拉拔工艺要求，而试样的硬度和抗拉强度越低、伸长率越高对拉拔过程越有利。与机械抛光前相比，试样经机械抛光后的硬度和抗拉强度升高，伸长率下降，再经不同时效工艺处理后，其力学性能均发生变化。由图4(a)可以看出，机械抛光后硬度上升，相同时效温度的条件下，时效时间为2 h时硬度最高，相同时效时间的条件下，随着时效温度的上升，试样的硬度均呈现出先下降后上升的趋势。这主要是由于试样在机械抛光时温度上升，促进了析出相的析出，随着时效时间的延长，析出相逐渐长大。

时效1 h时，由于时效时间较短，当时效温度较低(150、250 ℃)时析出相析出较少，位错的移动占主导地位，随着温度的升高，硬度逐渐降低，在250 ℃时的硬度最低，温度升高到350 ℃时，析出相迅速析出，此时，析出相析出占主导地位，硬度也逐渐上升。时效2 h 时，合金的硬度明显升高，此时析出相与母相基本保持共格，达到时效峰值，而时效温度的升高加速了析出相的析出与长大的进程，析出相明显长大而产生的钉扎作用占主导地位，对材料性能的影响起关键作用。时效时间进一步延长至3 h时，析出相和母相固溶体共格关系被破坏，从母相脱溶，形成稳定的析出相，随着析出相的聚集长大，合金的硬度下降，发生过时效现象[10]，而随着时效温度的升高，析出相和亚结构的粗化导致合金出现过时效的时间缩短，合金的显微硬度逐渐下降[11]。

图4(b, c)为0Cr25Al5电热合金试样的抗拉强度和伸长率的变化趋势，可以看出，机械抛光后抗拉强度升高，伸长率下降，这主要是因为冷拔加工使晶粒破碎形成亚晶胞，机械抛光后亚结构强化，同时析出相在晶界附近析出，合金强度提高，使位错滑移更加困难，晶粒变形协调性下降，导致伸长率下降[12]。当时效温度为150 ℃时，随着时效时间的延长，抗拉强度呈先下降后上升的趋势，伸长率呈先上升后下降的趋势，其主要原因为时效温度较低，当时效时间较短(1～2 h)时，析出相析出数量少、尺寸小，对位错钉扎作用较弱，此时抗拉强度下降，伸长率升高，随着时效时间的延长，时效3 h时，析出相数量增加，尺寸增大，对位错钉扎作用较强，导致抗拉强度增大、伸长率下降。

图4 0Cr25Al5合金的力学性能(a)硬度；(b)抗拉强度；(c)伸长率Fig.4 Mechanical properties of the 0Cr25Al5 alloy(a) hardness； (b) tensile strength； (c) elongation

随着时效温度升高至250 ℃和350 ℃，试样的抗拉强度上升而伸长率略有下降，且时效2 h时抗拉强度最高而伸长率最低，时效3 h时抗拉强度有所下降而伸长率回升。其主要原因是时效温度的升高促进了合金中析出相的析出，并随着时效时间的延长，析出相不断析出并长大。由Orowan位错绕过障碍物机制可知，当时效时间较短，析出相细小，位错切过析出相，抗拉强度较低，随着时效延长，析出相的大小和密度分布使得位错切过时的阻力达到最大值，此时合金抗拉强度达到最大值，亦称峰值强度；随着时效时间进一步延长，析出相继续长大，位错线由原来的切过机制改为Orowan绕过机制[13]，形成位错环，此时抗拉强度下降、伸长率升高。

2.2.2 残余应力

利用X射线应力测定方法，对不同工艺的试样进行切向残余应力测试，结果如图5所示，其中应力值的正负代表方向。可以看出，机械抛光前的残余压应力较高，抛光后残余压应力略有下降，时效后的残余压应力进一步下降[14-15]。与抛光后的残余应力相比，当时效时间一定时，随着时效温度的升高，残余应力下降幅度增大，这主要是因为变形后的试样中位错数量急剧上升，内能升高，处于高能亚稳状态，位错运动的过程中，晶界、杂质粒子等部位产生位错塞积，残余应力上升。抛光及时效过程中，由于温度升高增大了位错的可动性，开始出现攀移以及滑移现象，大部分应力场相互抵消，使体系能量降低，形成亚晶界，同时随着温度的升高，原子、空位发生较大规模迁移，减少了位错运动的阻力，导致大量的位错由高能态向低能态发展，致使原子重排、空位减少、位错缠结逐渐展开，位错密度趋于减少[16-17]，所以温度升高，残余应力下降明显。

图5 0Cr25Al5合金的残余应力Fig.5 Residual stress of the 0Cr25Al5 alloy

2.3 氧化膜横截面微观形貌

2.3.1 机械抛光前后的氧化膜横截面微观形貌

图6为0Cr25Al5电热合金在机械抛光前后的氧化膜横截面形貌。可以看出，机械抛光前氧化膜较为致密且完整，与基体结合较为紧密，厚度为4 μm左右，机械抛光后氧化膜基本去除干净。

图6 0Cr25Al5合金的氧化膜横截面形貌(a)机械抛光前；(b)机械抛光后Fig.6 Morphologies of oxide film in cross section of the 0Cr25Al5 alloy(a) before mechanical polishing； (b) after mechanical polishing

2.3.2 时效处理后的氧化膜横截面微观形貌

图7为0Cr25Al5铁铬铝电热合金经不同工艺时效处理后的氧化膜横截面形貌。可以看出，试样经过不同工艺时效处理后的表面较为光滑，无氧化膜重新生成，符合后续拉拔工艺要求。

图7 0Cr25Al5合金在不同时效工艺下的氧化膜横截面形貌Fig.7 Morphologies of oxide film in cross sectionl of the 0Cr25Al5 alloy after different aging treatments(a-c) 150 ℃; (d-f) 250 ℃; (g-i) 350 ℃; (a,d,g) 1 h; (b,e,h) 2 h; (c,f,i) 3 h

3 工艺验证

根据前文分析结果，对机械抛光后的0Cr25Al5电热合金丝进行250 ℃×1 h时效处理并空冷，然后与未时效的同钢种、同规格的铁铬铝合金一起同时用两台同种型号的拔丝机进行拉拔，且拉拔工艺相同，并对两台拔丝机模具损耗、断丝率进行连续12个月的生产统计，结果如图8所示。由图8(a)可以看出，经250 ℃×1 h时效后的0Cr25Al5电热合金丝在拉拔过程中的模具损耗整体均低于未时效的，根据统计数据结果，时效后的0Cr25Al5电热合金丝拉拔时模具损耗比未时效的降低了31.5%。由图8(b)可以看出，经250 ℃×1 h时效后的0Cr25Al5电热合金丝在拉拔过程中的断丝率整体均低于未时效，根据统计数据结果，时效后的0Cr25Al5电热合金丝在拉拔过程的中断丝率比未时效的降低了20.5%，丝材的成材率显著上升。

图8 0Cr25Al5合金丝拉拔生产过程中的模具损耗(a)和断丝率(b)Fig.8 Die loss(a) and wire breakage(b) of the 0Cr25Al5 alloy wire during drawing production

4 结论

1) 0Cr25Al5电热合金经机械抛光后的硬度、抗拉强度升高，伸长率下降，再经250 ℃×1 h时效后的硬度进一步下降为最低值，且残余应力下降明显，并且由于时效温度较低，氧化膜没有重新生成，有利于接下来的冷拉拔加工。

2) 0Cr25Al5电热合金经250 ℃×1 h时效后的晶粒度为8.0级，析出相基本为球形，尺寸较小，分布较为集中且多分布于晶界，析出相的成分为Cr7C3，由机械抛光后析出的析出相Cr3C2溶解并以离位析出的方式重新形成。时效时间延长为2 h时，晶界增多，晶粒度为8.5级，析出相数量增加，形状为球形，尺寸增大，分布均匀，多集中于晶界处，但晶内有少部分析出，析出相成分为Cr7C3；时效时间进一步延长为3 h时，晶粒度为7.5级，析出相数量进一步增加，尺寸进一步增大，分布均匀，且晶内数量增多，成分未发生变化，为Cr7C3。

3) 0Cr25Al5电热合金经250 ℃×1 h时效后的硬度降低，大大减少了在后续拉拔过程中的模具损耗和断丝率，均低于未时效，达到了降低模具损耗和提高成品成材率的效果。