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文檔簡介
1、熱處理工藝對35Ni4Cr2Mo合金鋼的組織及性能的影響1 本課題研究的目的和意義腐蝕是機械零部3種主要失效方式(磨損、腐蝕和疲勞)之一。有人統(tǒng)計每年全世界腐蝕報廢的金屬約一億噸,占年產(chǎn)量的20%40%。而且隨著工業(yè)化的進程,腐蝕問題日趨嚴(yán)重化,中國每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失不低200億元。1因此,20世紀(jì)初,各國就對防腐蝕材料進行了研究。鎳具有顯著的鈍化傾向,鎳在稀的非氧化性酸,特別是在中性和堿性溶液之中,腐蝕過程明顯變緩。但對于多種苛刻而復(fù)雜介質(zhì)而言,純鎳尚嫌不足。這可通過合金化形成鎳基耐蝕合金來解決。鎳對銅、鉻、鉬等元素有較高的固溶度,因而能夠組成成分范圍廣泛的合金。2鎳中加入鉻、鉬的鎳鉻
2、鉬合金仍具有單相奧氏體結(jié)構(gòu),顯示出優(yōu)異的耐蝕性能。1Cr主要起固溶強化作用,是碳化物形成元素,是穩(wěn)定合金表面最重要的元素,它在機體材料的表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層,能阻止金屬元素向外擴散和O、N2、S及其他有害元素向內(nèi)擴散,能防止材料的氧化和熱腐蝕。在鎳中加入鉻可大大加固鈍化膜。鉬對鎳及鎳基合金的強化作用高于鉻,而且加鉬可以提高鎳在酸中的耐腐蝕能力,3這實際上消除了局部腐蝕的傾向。Mo主要進入合金固溶體,加強固溶體中原子間結(jié)合力,有利于合金耐鹽酸,硫酸等的腐蝕。Ni-Cr-Mo系合金就是優(yōu)秀的耐腐蝕材料。它具有耐中度氧化性酸和強還原性酸腐蝕的性能,能耐鹽酸、硫酸、氫氟酸等的混合酸腐蝕。4這
3、種抗腐蝕性在還原性的環(huán)境、復(fù)雜的混合酸環(huán)境以及含有鹵素離子的溶液中尤其明顯,并且兼有很好的力學(xué)性能及加工性能,其綜合耐蝕性能遠比不銹鋼和其它耐蝕金屬材料優(yōu)良,尤其適用于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)下苛刻的介質(zhì)環(huán)境。5廣泛應(yīng)用于航空,航天,能源,石化等領(lǐng)域。雖然鎳鉻鉬合金比不銹鋼及其他抗腐蝕材料的耐腐蝕要好,但是,鎳鉻鉬合金也存在著一些不足。在某些環(huán)境如H2S環(huán)境中,材料會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,形成解理斷口影響材料的性能。而且,材料長時間處于腐蝕環(huán)境中,表面會遭到腐蝕。不同的熱處理工藝會改變鋼組織,使鋼的性能發(fā)生改變。經(jīng)過合適的熱處理工藝后,可以使鎳鉻鉬合金的奧氏體晶粒得到細(xì)化,消除或降低殘余應(yīng)力,使其組織和性能得
4、到進一步的改善。因此,我們需要對35Ni4Cr2Mo合金鋼的熱處理工藝對組織及性能的影響進研究。35NCD16是法國航空工業(yè)常用的一種中碳鎳鉻鉬鋼,該合金鋼屬于高韌性、高強度結(jié)構(gòu)鋼種。該合金鋼含有較高的Ni、Cr、Mo合金元素,使鋼的過冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定,鋼的淬透性很高,空淬即可得到馬氏體和貝氏體組織。淬火加高溫回火或低溫回火,可獲得高強度或超高強度兩個級別,可在大截面上獲得均勻的高強度和高韌塑性配合,具有低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度和高的疲勞強度等。該鋼在調(diào)質(zhì)(淬火+高溫回火)或淬火加低溫回火狀態(tài)下使用,主要用于制造截面較大的承受疲勞載荷的關(guān)鍵部件,如軸類、對接接頭、專用螺栓、起落架零部件等。尤其是在XX
5、型機的零件中,需要熱處理的有110種,其中材料為35NCD16的31種,占28%,而這31種零件中,關(guān)鍵件重要件占29%,該材料的重要地位可見一斑。該材料現(xiàn)已進行了全面國產(chǎn)化,相應(yīng)牌號為35Ni4Cr2MoA(E),由撫順特種鋼廠生產(chǎn)的,為全面了解該材料的性能,更好地應(yīng)用該材料,我們對該材料的熱處理工藝進行了試驗,對材料的組織及性能的影響進行研究,確定材料的最佳熱處理工藝參數(shù)。2 鎳鉻鉬合金的研究現(xiàn)狀由于鎳鉻鉬合金具有良好的耐腐蝕性能,因此發(fā)展較快。Ni-Cr-Mo系耐蝕合金的典型牌號是HastelloyC合金(0Cr16Ni60Mo16W4)。由于含有較高的Cr和Mo且具有合適的配比它在一些
6、強腐蝕性的氧化-還原性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性,因此,自1930年問世后,它在化學(xué)和原子能工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。6在實際問題的應(yīng)用中,鎳鉻鉬合金又得到了進一步的發(fā)展,有了更好的耐腐蝕性能及力學(xué)性能。1)18Cr2Ni4WA鋼18Cr2Ni4WA鋼含有較多的Cr、Ni等合金元素,具有優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能,被廣泛地用于制造高速、重載條件下的船用發(fā)動機、航空發(fā)動機、坦克發(fā)動機及其它大型機械的主要承載件,如曲軸、套齒、轉(zhuǎn)接盤、法蘭盤等。其可貴之處不僅在于該鋼具有良好的強韌性、低溫沖擊韌度、回火穩(wěn)定性以及較低的回火脆性和缺口敏感性,而且還在于獲得上述性能時,并不需要在淬火硬化時采用急冷措施。因為18Cr
7、2Ni4WA鋼所具有的高淬透性,會使其在空冷時即可淬透。因此,對于截面較大、重載、使用溫度變化大、形狀復(fù)雜、精度高的工件,是不可替代的理想材料。但是,18Cr2Ni4WA鋼中的粗大晶粒組織會顯著降低鋼的強度和韌性,而且其顯微組織的遺傳傾向較大,該鋼的組織晶粒一旦粗大化,就很難通過一次正火徹底消除?,F(xiàn)在可以采用940960空冷+750770空冷+940960空冷+750770空冷+860880油冷+540560這樣的熱處理工藝來細(xì)化晶粒,改善材料的力學(xué)性能。經(jīng)過此種工藝的復(fù)合熱處理后,18Cr2Ni4WA鋼的綜合力學(xué)性能達到了最佳狀態(tài),特別是沖擊韌度指標(biāo)有了較大程度的提高。復(fù)合工藝的應(yīng)用,極大地
8、細(xì)化了鋼的奧氏體晶粒,通過兩次預(yù)處理工藝使奧氏體晶粒進一步細(xì)化和均勻化,獲得了較好地晶界強化效果,極大地提高了鋼的基體的強韌性,而且力學(xué)性能的均勻性很好。7經(jīng)過復(fù)合熱處理工藝以后,由于冷卻速度的提高,有效的控制了粒狀組織(Gs)的出現(xiàn),通過復(fù)合熱處理的兩次相變重結(jié)晶和兩次相變硬化,強烈的細(xì)化了奧氏體晶粒,并使之均勻化,有效的改善了鋼的金相顯微組織和強韌性,獲得了良好的綜合力學(xué)性能。因此我們看出,通過一定的熱處理工藝,可以使鋼的組織得到優(yōu)化,從而提高鋼綜合力學(xué)性能。2)熱處理工藝對35CrMo鋼耐蝕性能的影響35CrMo鋼是一種中碳中合金結(jié)構(gòu)鋼,具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能,其價格又比Cr-
9、Ni鋼等低廉,故在機械制造、汽車和石化等行業(yè)廣泛用于制造傳動軸、曲軸和緊固件等零部件8-12,其最終使用狀態(tài)為淬火+回火狀態(tài)13-14。它還有著良好的耐磨性能和耐環(huán)境腐蝕的能力,因而在國民經(jīng)濟中有著廣泛的用途。研究不同熱處理工藝對其耐腐蝕性能的影響,可揭示腐蝕發(fā)生的規(guī)律,指導(dǎo)35CrMo 鋼的使用前的熱處理工藝以及材料的應(yīng)用范圍,也是35CrMo鋼是否合適應(yīng)用于某一領(lǐng)域的重要依據(jù)。合金的組織對材料的耐蝕性能具有決定性的作用,淬火使合金存在較大的淬火應(yīng)力引起材料耐腐蝕性能下降,而回火后消除了材料淬火應(yīng)力,材料耐腐蝕性能得到明顯提高,并且隨著回火組織的粗化,合金耐腐蝕性能反而提高。故在選擇材料熱處
10、理工藝時,要根據(jù)材料的使用環(huán)境來選擇材料的熱處理工藝,不能一味的追求材料的力學(xué)性能的提高,而忽略熱處理對材料耐蝕性能的影響。研究表明:(1)35CrMo鋼經(jīng)83030min水淬得到均勻細(xì)小的馬氏體組織和殘余奧氏體組織,隨后再在不同溫度(450、650、700、750)保溫1小時后空冷,依次獲得回火屈氏體、回火索氏體、回火珠氏體、細(xì)小的珠光體。(2)在3.5%NaCl腐蝕環(huán)境下,35CrMo鋼的組織對材料的耐腐蝕性能具有決定性的作用,淬火使合金存在較大的淬火應(yīng)力引起材料耐腐蝕性能下降,而回火后消除了材料淬火應(yīng)力,材料耐腐蝕性能得到明顯提高,并且隨著材料組織的粗化,合金耐蝕性能反而提高。3)冷卻速
11、率對1Cr18Ni9T鋼的影響冷卻速率對鋼的力學(xué)性能有重要影響。隨著冷卻速率的提高,鑄坯裂紋傾向增大,因而限制了快速連鑄和近終形連鑄技術(shù)的應(yīng)用,對于不銹鋼等高合金鋼而言這種問題更加嚴(yán)重。為了改善鑄坯質(zhì)量、減少各種裂紋,非常有必要搞清楚材料在高溫甚至在凝固過程中的力學(xué)性能。圖1-1為1Cr18Ni9Ti鋼以不同速率冷卻到不同溫度時的抗拉強度??梢钥闯?,無論冷速大小,抗拉強度均隨拉伸溫度的升高而降低。但在1305以下,以小冷速冷卻的抗拉強度大于以大冷卻速率冷卻的抗拉強度,而在1305以上的規(guī)律基本相反。因此,1Cr18Ni9Ti鋼冷卻到1320以上時,大冷速冷卻時的力學(xué)性能要好于小冷速冷卻時的力學(xué)
12、性能,而冷卻到1320以下時,大冷速冷卻時的力學(xué)性能要比小冷速冷卻時要差。在高溫時固相率較低,溶質(zhì)在枝晶間富集形成低熔點液膜,當(dāng)液膜不能承受更大的凝固收縮應(yīng)力時,便發(fā)生了高溫沿晶界斷裂。15-16奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti在零強度溫度和零塑性溫度附近的斷裂與其凝固收縮有密切關(guān)系。大的冷卻速率可使1Cr18Ni9Ti鋼的凝固溫度降低,使同一溫度下的液相率升高,提高液態(tài)金屬的補縮能力,從而改善1300以上的力學(xué)性能,大大增加其塑性。凝固收縮和金屬液的補縮作用對1Cr18Ni9Ti鋼的高溫力學(xué)性能有很大影響,隨著固相率的升高,材料的破壞形式由沿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔?。圖1-1 1Cr18Ni9T
13、i鋼以不同速率冷卻到不同溫度時的抗拉強度4)HastelloyC合金鋼的均勻化退火鉬對鎳及鎳基合金的強化作用高于鉻,而且加鉬可以提高鎳在酸中,尤其是在還原性酸中的耐腐蝕能力,這實際上消除了局部腐蝕的傾向。17但高鉻、鉬含量會導(dǎo)致產(chǎn)生組織相L、P相(它們的成分構(gòu)成為(Ni、Cr、Fe)3(Mo,W)2)18。圖1-2是HastelloyC合金(合金成分為Ni-18Cr-18Mo-W)的二次電子像,可知析出相的大致形貌,其析出相的元素掃描像見圖1-319。由圖1-2、圖1-3可見,大塊呈島狀析出物,內(nèi)部為白區(qū),含鉬較多為P相,邊緣黑區(qū),含鉬、鎢較多,但鉬量比白區(qū)要低,為L相。此外,由圖1-3還可以
14、看出,靠大的島狀析出物邊緣處的基體與遠離處的基體相比,它的鉻、鉬、鎢含量較低,這對合金的力學(xué)性能、耐蝕性能是有害的。均勻化退火(12045h)可以減小產(chǎn)生這些組織相的趨勢,這就使鉻、鉬含量升高,含碳量對鎳-鉻-鉬合金的耐蝕性能有影響。由圖1-2可見,小顆粒狀析出相就是富鉬的M6C型碳化物,這與鎳-鉬合金中產(chǎn)生M 6C型碳化物而使合金的實際鉬含量減少對抗蝕性能的影響是同一道理,這就要求碳含量應(yīng)小于0.101%。20-21圖1-2 HastelloyC合金二次電子像圖1-3 HastelloyC合金元素線掃描圖a線掃描位置;b元素線掃描5)奧氏體晶粒的細(xì)化汽車用滲碳齒輪鋼通常是沿用20CrMnTi
15、鋼,近年來隨著重型汽車的發(fā)展,齒輪的尺寸和模數(shù)加大,該鋼的性能已經(jīng)不能滿足使用要求,逐漸被鉻-鉬系和鉻-鎳-鉬系齒輪鋼代替。22重載齒輪在使用前要經(jīng)過滲碳和淬火處理,而齒輪在滲碳溫度范圍內(nèi)長時間保溫時容易出現(xiàn)奧氏體晶粒的異常長大,由此形成的不均勻奧氏體晶粒又會導(dǎo)致齒輪淬火時的變形加劇以及疲勞強度的降低。奧氏體晶粒對鋼熱處理后的組織和性能起著重要作用,通過釩-鈮微合金化處理,可細(xì)化鉻-鎳-鉬系齒輪鋼的奧氏體晶粒,提高其使用性能。23釩,鈮是廣泛應(yīng)用的微合金化元素,具有在加熱時阻止奧氏體晶粒長大的作用。24釩的加人可通過V(C,N)的沉淀和未溶V(C,N)粒子的晶界釘扎作用而阻止奧氏體晶粒的長大;
16、鈮的碳氮化物具有很好的高溫穩(wěn)定性,可在高溫下細(xì)化奧氏體晶粒。6)耐海水腐蝕材料的研究海洋作業(yè)中常用的結(jié)構(gòu)金屬和合金都會受到海水或海洋大氣侵蝕,例如:船舶的外殼、螺旋槳、海港碼頭的各種金屬構(gòu)筑物、海上采油平臺和輸油管道等都會遭到海水的嚴(yán)重腐蝕。隨著深海研究和水下作業(yè)的加速進行,耐海水腐蝕材料研究進展迅速,其中鎳基合金是一種重要的耐海水腐蝕材料。同時加入16%22%鉻及9%18%鉬的鎳基合金是在通常所知的各種海洋環(huán)境中最耐腐蝕的結(jié)構(gòu)金屬(見表1),目前通用的這類合金有HastelloyC、HastelloyC-276等,它們在海洋大氣中均有非常好的抗蝕性。該類合金在海洋領(lǐng)域中的用途是制造水翼、螺栓
17、、螺栓漿和海水熱交換器等。在全浸條件下,Inconel600、InconelX-750合金在縫隙處仍會受到腐蝕,也會發(fā)生點蝕,In2conel718合金遠比上述合金更抗縫隙腐蝕,這無疑是由于含有3%鉬的緣故。美國VDM公司研制的用于海水冷卻裝置的合金59(Ni59Cr23Mo16Fe1)發(fā)生點蝕的勢能Eb(Eb是衡量材料抗點蝕能力的標(biāo)準(zhǔn),E Eb時,材料一般會發(fā)生點蝕)為975mv,而HastelloyC-267的為872mv,316L不銹鋼的則為325mv。和316L不銹鋼相比,合金59、HastelloyC-267具有高的抗點蝕勢能Eb,主要是因為HastelloyC-267含有16%鉬、
18、57%鎳、318%鎢,合金59含有16%鉬、59%鎳,所以說明了鉬、鎳在提高材料的抗點蝕能力上起了重要的作用。同理,HastelloyC-267和合金59的抗縫隙腐蝕能力的提高主要是由于高的鎳、鉻、鉬含量所致。但高鉻、鉬含量會導(dǎo)致產(chǎn)生組織相u、P相(它們的成分構(gòu)成為(Ni、Cr、Fe)3(Mo、W)2)。均勻化退火可以減小產(chǎn)生這些組織相的趨勢,這就使鉻、鉬含量升高,還可以含有2175%4%鎢,鎢的加入可使鎳基合金具有良好的焊接性,抗在Cl酸中的縫隙腐蝕,抗在酸氣深井中的應(yīng)力腐蝕開裂,還可抗表面開裂。含21.5%23%Cr、13%17%Mo的Ni-Cr-Mo合金的耐蝕性能最好。例如對用于海水緊固
19、裝置的合金UNSNo6686(Cr21Ni49Mo16W4)進行臨界點蝕溫度(CPT)、臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)的測試,該合金的CPT、CCT都大于85,而一般耐海水腐蝕合金的臨界溫度為40。UNSNo6686在海水中侵蝕60天,該合金的焊接處抗縫隙腐蝕;在1414海水中做180天的縫隙腐蝕實驗,該合金無點蝕、縫隙腐蝕。由此可見,Ni-Cr-Mo合金比Ni-Cr、Ni-Mo合金更具優(yōu)異的耐蝕性,具有抗全面腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕的能力。7) 鎳鉻鉬合金的節(jié)鎳近年全球鎳金屬價格上漲,不銹鋼節(jié)鎳非常必要。節(jié)鎳不銹鋼主要有鐵素體不銹鋼,Cr2Mn2Ni2N奧氏體不銹鋼與含N的雙相不銹鋼。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的
20、高速發(fā)展,交通、建筑、食品與家用等設(shè)備與產(chǎn)品多用不銹鋼,尤其是石化工業(yè)不銹鋼需求量更呈大增,除采用普通不銹鋼外,還采用高鎳鉻鉬的超奧氏體不銹鋼。鎳金屬最大用戶為不銹鋼,其比率達到65%,此外還用于鎳基合金(11%)、鍍層材料(8%)與合金鋼(8%)等。2005年世界不銹鋼總產(chǎn)量已超過25Mt,Cr2Ni奧氏體不銹鋼約占全部不銹鋼的70%,奧氏體不銹鋼含有較多的鎳,鎳原料價格約占不銹鋼價格的40%45%。由于鎳資源緊缺,亞洲國家不銹鋼需求旺盛,倫敦金屬交易所(LME)鎳價格上升,不銹鋼價格也隨之大漲。我國鎳資源遠遠滿足不了不銹鋼行業(yè)的需求,較大部份需進口。在鎳金屬嚴(yán)重緊缺的情況下,如何少用鎳甚至
21、不用鎳,發(fā)展節(jié)鎳不銹鋼是一個途徑。鐵素體不銹鋼中Cr含量一般為12%30%,它具有比奧氏體不銹鋼更好的抗SCC性能和抗高溫氧化性能,但其缺點是對晶間腐蝕敏感,塑性韌性較低,延性/脆性轉(zhuǎn)變溫度在室溫以上,焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化,焊接開裂傾向較大,475脆性與高溫脆性等,上述缺點經(jīng)研究是由間隙元素C、N造成的。隨著精煉技術(shù)的進步,可以生產(chǎn)出C,N含量很低的超鐵素體不銹鋼,而使上述欠缺得到改善,從而可以部分代替1828不銹鋼。25-27目前我國不銹鋼市場消費結(jié)構(gòu)中奧氏體鋼所占比例為90%,其中以Cr-Ni系占極大部分,我國日常使用的餐具、廚具不銹鋼幾乎均為奧氏體鋼,為節(jié)約寶貴的Ni資源,從生產(chǎn)環(huán)節(jié)與
22、消費環(huán)節(jié)上大力推廣節(jié)鎳不銹鋼,是我國經(jīng)濟高速發(fā)展的必要措施,不僅在日用、食品、建筑與交通等領(lǐng)域,而且應(yīng)在石油化工領(lǐng)域主要使用耐腐蝕奧氏體不銹鋼部門應(yīng)盡可能使用超鐵素體、Cr2Mn2Ni2N與含氮雙相等節(jié)鎳不銹鋼。發(fā)高氮不銹鋼的目的,主要是要節(jié)省戰(zhàn)略物資Ni元素。在元素中N是形成奧氏體最強的元素,它與Ni元素相比較,其效果可提高25-30倍。在通常情況下,為了得到奧氏體組織,使用25%Cr就必須用20%Ni相匹配。如果在25%Cr中添加0.3%N時,用13%Ni就能夠完全奧氏體化。添加0.25-0.35%N就有良好的耐腐蝕性能,在此基礎(chǔ)上研制出節(jié)Ni型高N奧氏體不銹鋼,即25Cr-13Ni-0.
23、3N-0.8Mo鋼種(YUS170鋼)。由于N元素在合金相中易形成間隙式固溶體,可有效的提高基體強度。YUS170鋼與普通的25Cr-20Ni奧氏體不銹鋼相比,屈服點提高1倍,抗拉強度提高50%。另外,還研制出相類似的高N奧氏體不銹鋼,為提高強度和耐蝕性而研制的316LN鋼(18Cr-11Ni-2Mo-0.2N),考慮精簡腐蝕把C含量控制在0.03%以下,已應(yīng)用于化工裝置中。參考文獻1 楊瑞成,聶福榮,鄭麗平,車驥,興長策,鎳基耐蝕合金特性、進展及其應(yīng)用,甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,28卷,22 黃嘉琥,吳劍主編,耐腐蝕鑄鍛材料應(yīng)用手冊,機械工業(yè)出版社,1991,1033 張承忠主編,金屬腐蝕
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