新材料热处理工艺研究范文

某型产品中使用的新材料X4CrNiMo16-5-1又称S165M，该材质具有优良的综合机械性能和一定的耐腐蚀性能，主要用于海洋工程产品上。目前设计图纸中该材质技术要求达到QT900，经查阅国内外标准及相关的技术要求，X4CrNiMo16-5-1为国外牌号，国内还没有可以代替的类似材料，也没有公开发表的热处理工艺。热处理技术要求高，难度大，且该材料从未进行过试验、生产，也没有相适宜的热处理工艺方法，属新材料，因此需要进行热处理工艺研究，找出最佳的热处理工艺方法和工艺参数，达到设计要求的力学性能及加工需求，以满足该材质产品零件的热处理要求。

1技术要求

1）结合现有生产试验条件，选择直径为φ50mm圆钢为试验材料，原始态为退火状态。2）按EN10088-3:2005(E)标准，φ50mm直径圆钢QT900对应标准要求为：(纵向)900Mp≤Rm≤1100Mp，Rp0.2≥700Mp，A≥16%，AKV≥80J（常温）。3）X4CrNiMo16-5-1材料化学成分（质量分数%）如表1所示。

2试验研究

2.1试验设备高温热处理炉一台，型号为RT2-120-12。力学性能试验在WEW-600型微机屏显液压万能试验机上进行拉伸试验，拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》执行，在JB30A型294/147冲击试验机上进行冲击试验，夏比V型缺口，冲击试样执行GB/T229-2007《金属夏比缺口冲击试验方法》，显微组织观察在南京晨光集团图像分析仪QMW550上进行。

2.2试验方法为研究淬火温度对X4CrNiMo16-5-1钢组织和性能的影响，选择950℃、990℃、1020℃三种淬火温度，淬火分别保温90min，淬火方式选用油冷。为研究回火温度对X4CrNiMo16-5-1钢组织和性能的影响，选用560℃、590℃、620℃、650℃四种回火温度分别对上述三种淬火温度进行回火，回火保温时间为120min，冷却方式选用油冷。

3试验结果与分析

3.1淬火温度对X4CrNiMo16-5-1钢组织和性能的影响X4CrNiMo16-5-1属低碳合金钢，经950℃、990℃、1020℃淬火后均获得板条状马氏体组织，且马氏体组织上有铁素体，如图1所示。950℃淬火得到的是板条马氏体，马氏体组织上分布着链条状铁素体，990℃淬火得到的是高密度型的位错马氏体，且铁素体形貌发生了改变，链条已被打断；1020℃淬火时，获得位错型马氏体和铁素体，且铁素体聚集长大。从图1看出，随淬火温度的升高，马氏体板条略微增大。表2是不同淬火温度下的拉伸、冲击性能，可以看出，随淬火温度的提高，Rm、Rp0.2变化不明显，塑性基本不变，冲击有所提高，这是由于淬火温度提高，奥氏体中溶入了较多的合金元素，有利于提高韧性。由于钢成分含有较高的合金元素铬、镍，为保证合金碳化物充分溶解和奥氏体内成分的均匀化，淬火温度应高些，同时淬火温度过高，奥氏体晶粒有长大的风险。X4CrNiMo16-5-1钢含较高成分的合金元素Cr、Ni、Mo，能增强淬透性，降低Ms点，奥氏体稳定，采用空冷也可以获得马氏体和高的硬度，为保证更高的淬透性和强韧性，采用油冷却淬火，选用990℃比较适宜。

3.2回火温度对X4CrNiMo16-5-1钢组织和性能的影响不同回火温度下X4CrNiMo16-5-1钢的力学性能如表3所示，990℃淬火，不同回火温度下的显微组织如图2所示。在560℃~650℃范围内回火，随回火温度的升高，强度呈下降趋势，950℃和1020℃淬火态时，延伸率呈下降趋势，这种变化规律不利于材料的使用性能。990℃淬火态时延伸率呈升高趋势，断面收缩率、韧性变化不明显。990℃淬火，不同回火温度下的显微组织如图2所示。从图2金相组织上看出，560℃回火时，回火组织基本保持淬火后的马氏体形态，只是板条马氏体有细化的特征。590℃~650℃回火，随回火温度的升高，较粗淬火形态的马氏体逐渐消失，形成细小的板条马氏体形态的索氏体，组织随回火温度升高逐渐显得粗大，且铁素体呈细小均匀分布，均匀分布的铁素体存在对提高塑性和韧性是有很大作用的，细小均匀分布的铁素体还有利于阻止裂纹扩展，由于高密度的位错强化弥补了因铁素体引起的强度降低。综上所述，990℃淬火、590℃回火后得到最佳的综合机械性能匹配，屈强比较低、组织为具有细小板条马氏体形态的索氏体＋铁素体。

4结论

1）X4CrNiMo16-5-1不锈钢950℃~1020℃淬火，得到的组织均为板条马氏体＋铁素体，不同温度淬火处理形成不同尺寸、形状的板条马氏体，对拉伸性能影响无明显，冲击性能随淬火温度升高而增大。2）990℃淬火后，随回火温度的升高，较粗的淬火板条马氏体逐渐分解成细小的板条马氏体，强度下降，延伸率提高，韧性变化不明显，调质后获得组织为细小的具有板条马氏体形态的索氏体＋铁素体。3）X4CrNiMo16-5-1不锈钢调质最佳热处理工艺参数为990℃淬火，油冷，590℃回火，能获得优良的综合力学性能匹配，其力学性能满足QT900设计技术要求。4）通过试验，制定了该材料的热处理调质工艺及参数，已成功应用在某产品零件中。

作者：潘良高 单位：海军驻南京地区航天机电系统军事代表室