含硼316不锈钢的热处理研究

含硼 316不锈钢的热处理研究 宋锦修1 ,刘俊友1 ,刘 � 杰2,李 � 伟1 ( 1.北京科技大学 材料学院, 北京 100083; 2.北京北科德瑞冶金 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术有限公司,北京 100083) 摘 � 要:为了进一步改善含硼 316不锈钢的力学性能和扩大应用范围, 本文借助于 OM、SEM、XRD、 硬度计和力学性能试验机等手段对热处理后的含硼 316不锈钢的显微组织、硬度、冲击韧性和抗压强度 进行了分析和研究。试验结果表明,对于含硼 316不锈钢,较适合的热处理制度为: 980 � 固溶 4 h,水冷 和 400 � 回火 6 h,空冷。经处理后, 硬度提高了 15%, 冲击韧性提高了 110% ,抗压强度提高了 19%。其 原因是晶界上的非平衡偏聚的网状硼化物出现断网,同时基体上析出了大量的二次硼化物。 关键词:含硼 316不锈钢;硼化物; 热处理;布氏硬度;冲击韧性 中图分类号: T G 15 � � 文献标志码: A Study of the Heat Treatment of 316 Stainless Steel with Boron SONG Jinxiu1 , LIU Junyou1 , L IU Jie2 , L I Wei1 ( 1. Material School, Univ ersity of Science and T echnolog y Beijing , Beijing 100083, China; 2. Beijing BKDR Metallurg y Eng ineering & T echnolog y Co. , L td, Beijing 100083, China) Abstract:To improve the mechanical proper ties of 316 stainless st eel with bor on step by step and expand its application field, this paper analyzed and studied the micro structur e, hardness, impact t oughness and compressive st rength by OM , SEM , XRD, hardness tester and proper ty t esting machines. T he r esult s show ed that the reasonable heat t reatment fo r 316 sta inless steel with bor on is 980 � � 4 h solut ion + wat er co oling , and 400 � � 6 h tempering + air coo ling. And the hard- ness w as increased by 15% , impact toughness by 110% and compressive str eng th by 19% because of the br oken netw o rk o f bo rides in the g ra in boundar y and the precipitat ion of second bor ides in t he matr ix . Key words:316 stainless steel w ith Bo ron, Bor ides, H eat treatment, Brinell hardness, Im pact toughness � � 316 不锈钢具有良好的力学性能和耐腐蚀性 能,但是耐液态金属腐蚀性能较差,不能很好应用于 热浸镀行业的实际生产中 [ 1]。为了改善 316不锈钢 的耐液态金属腐蚀性能, 特向 316不锈钢中加入一 定量的硼元素, 硼元素的加入使 316不锈钢的耐液 态金属腐蚀性能大大提高, 但硬度等力学性能仍不 能满足热浸镀行业的工况要求, 而且冲击韧性下降 很多[ 2-3] 。研究如何进一步提高含硼 316 不锈钢的 综合力学性能对加含硼 316不锈钢的工业应用有很 大意义。本文作者为此展开对含硼 316不锈钢的热 处理分析研究。 1 � 试验材料与方法 试验材料为铸造含硼 316不锈钢, 其化学成分 如表 1所示。为更好地研究不同热处理制度对其力 学性能的影响, 热处理试验分 2 批进行。首先用 DK77- 25电火花数控线切割机床在铸件浇注底部 切割出 15 mm � 10 mm � 5 mm 热处理 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 试样, 并进行首批预定热处理。用 XHB- 3000 型布氏硬 度计测定热处理前后的硬度。经预磨、抛光、草酸水 溶液电解浸蚀, 在 NEOPH OT 21光学显微镜下对 热处理前后的试样进行观察分析。根据前期试验结 果优化热处理制度, 并进行第 2批热处理试验。切 割 10 mm � 10 mm � 55 mm 标准冲击试样和 �8 mm � 15 mm 的压缩试样, 按优化的热处理制度进 行热处理之后在一次摆锤式冲击试验机上测定冲击 韧性,在力学性能试验机上测定压缩性能。用 LEO - 1450扫描电子显微镜观察分析断口形貌。普适 热处理制度流程如图 1所示。 表 1� 铸造含硼 316 不锈钢试样化学成分 元素 C Si Mn N i Cr Mo B F e 质量分数 (% ) 0. 07 0. 88 2. 01 10. 0~ 14. 016. 0~ 18. 5 2. 0~ 3. 0 2. 2~ 2. 5 余量 图 1 � 热处理试验普适热处理制度曲线 2 � 试验结果与分析 2. 1 � 金相形貌 金相研究表明, 含硼 316不锈钢的铸态组织中 存在大量共晶硼化物, 硼化物沿晶界呈网状分布。 深入观察可发现, 在网状硼化物某些部位,存在一些 断开和缩颈。网状硼化物中存在的这些局部断口和 �80� �新技术新工艺� �热加工工艺技术与材料研究 � 2011年 � 第 3期 缩颈,在高温加热过程中有可能进一步断开, 使网状 硼化物断开,有利于改善含硼 316不锈钢强度和韧 性,并降低其晶间腐蚀倾向[ 4]。 铸态含硼 316不锈钢经 900~ 1 040 � 固溶处 理后出现了硼化物的断网现象, 而且随着固溶温度 的升高和固溶时间的延长,硼化物溶解增多, 硼化物 形态也发生了明显变化, 由连续网状向断网状转变, 特别是温度达到 1 040 � 时, 硼化物断网非常明显, 如图 2所示。同时在淬火过程中由于冷却速度较 快,只有晶界附近的硼原子有可能扩散到晶界,晶界 两侧形成具有一定宽度的贫硼区[ 5]。 图 2� 1 040 � � 6 h 固溶处理的金相组织 文献[ 6]显示,由于硼、铁原子直径比为 0. 7(硼 原子直径 0. 194 nm ,铁原子直径 0. 248 nm ) , 既显 著大于形成间隙固溶体的上限尺寸因素 0. 59, 又显 著小于形成置换固溶体的下限尺寸因素 0. 86。因 此,不论硼原子以何种方式固溶在基体中,都将引起 较大的晶格畸变。从热力学上讲,具有高晶格畸变 能的过饱和固溶体是不稳定的, 在加热时必然向稳 定的化合物转变。只要在足够高的温度下保温足够 长的时间,硼原子就能够克服扩散势垒而正常扩散, 并且有充足的时间完成扩散、聚集、沉淀析出。过饱 和固溶合金经过300~ 500 � 回火后,硼化物在基体 晶粒大量沉淀析出,而且晶粒内部析出相对比较均 匀,如图 3所示。 图 3 � 980 � � 6 h 固溶处理及回火后的金相组织 随着回火温度的升高和回火时间的延长, 硼化 物析出量明显增多,而且晶界已断开的网状硼化物 有恢复成连续网状的趋势。这一点可以由图 4、图 5 得到很好的证实。 由硼化物金相定量分析结果(如图 6所示)可清 楚地看到,回火前随着固溶温度的升高和固溶时间 的延长,晶界硼化物偏聚量逐渐减少,而经 500 � 回 火 6 h后,硼化物(含晶界一次硼化物和晶内二次析 出硼化物)含量剧烈增加。 图 6 � 硼化物金相定量分析结果 2. 2 � 布氏硬度 材料的宏观硬度由基体的硬度和硼化物的硬度 以及硼化物的含量来决定,硼化物的含量由合金中 硼的含量和热处理制度来决定[ 7]。X 射线衍射分 析[ 8 ]表明, 含硼 316 不锈钢中的硼化物为体心正方 晶格的( Cr, Fe) 2 B, ( Cr , Fe) 2B具有高硬度和良好的 热稳定性,其显微硬度达到 1 430~ 1 480,可以确保 高硼合金在具有优异强韧性的前提下, 还具有高的 硬度和优良的耐磨性。 铸态含硼 316 不锈钢的布氏硬度为 290. 2, 经 过不同热处理制度处理后,合金的硬度值均发生明 显提高。经不同工艺固溶后合金硬度如图 7所示。 由图 7可知, 固溶温度在 900~ 1 040 � 变化 时,随着固溶温度的升高和固溶时间的延长,合金的 硬度先升高而后降低。固溶处理一方面使晶界硼化 物固溶到 �- Fe 中使奥氏体基体硬度升高, 另一方 面使硼化物硬质相含量降低,进而使合金宏观硬度 下降。当固溶温度不高于 980 � 且固溶时间不超过 �81��新技术新工艺� �热加工工艺技术与材料研究 � 2011年 � 第 3期 图 7 � 固溶制度对合金硬度的影响 6 h 时, 基体硬度升高占据主导因素,合金宏观硬度 升高;当固溶温度高于 980 � 或固溶时间超过 6 h 后,硼化物含量降低占据主导因素,合金宏观硬度开 始下降。 铸态合金经固溶处理后, 晶界偏聚的硼元素向 晶内迁移,回火过程中在基体析出高硬度硼化物, 使 基体沉淀强化, 合金宏观硬度升高。固溶合金在 300 � 回火时,消除了固溶淬火的淬火应力,但温度 较低又不足以使硼化物充分析出,与未经回火合金 相比硬度值有所下降。回火温度在 300~ 500 � 变 化时,随着回火温度的升高, 硼化物在基体析出增 加,合金回火硬度升高,如图 8所示,其中回火时间 均为 6 h。另外试验还研究了试样回火 24 h 的性 能,但硬度值明显下降, 与本研究目的相悖, 在此不 再介绍。 图 8 � 回火温度对合金硬度的影响 从合金硬度角度考虑, 含硼 316不锈钢的最合 适热处理制度为980 � 固溶处理 4 h后水淬,再500 � 回火 6 h 后空冷,经过这样的热处理后, 合金的硬 度可以提高 15%。 2. 3 � 冲击韧性 冲击韧性是金属的 5大常规力学性能指标 �s、 �b、�、�、A k 之一。由于材料冲击韧性对材料内部组 织的变化十分敏感,因此可以通过改变热处理制度 改善材料的冲击韧性 [ 9]。 铸态合金的冲击韧性只有 3. 8 J/ cm 2 , 经过 980 � 固溶 4、6 h处理后合金的冲击韧性有了很大 的提高, 经过 400 � 、500 � 回火 6 h后, 合金的冲 击韧性相对有所下降, 但与铸态合金相比仍有很大 提高。经不同热处理制度处理后合金的冲击韧性如 图 9所示。 图 9 � 回火温度对合金冲击韧性的影响 由图 9可知,回火处理对固溶合金冲击韧性的 提高不利,而且随着回火温度的升高,韧性下降有增 加的趋势。材料的冲击韧性对材料内部结构缺陷、 显微组织的变化很敏感,在铸态合金中,硬而脆的硼 化物在奥氏体晶界大量偏聚,导致铸态合金冲击韧 性很低。经过固溶处理后,部分偏聚于晶界的硼化 物经高温溶解到奥氏体基体中, 使冲击韧性有很大 程度的提高,再经回火处理后,部分固溶于基体的硼 化物再次偏聚于晶界, 使合金冲击韧性有所下降,而 且回火温度越高, 下降越明显。 利用扫描电镜对冲击断口分析发现, 铸态合金 冲击断口有明显的河流花样(即解理台阶) ,而固溶 �82� �新技术新工艺� �热加工工艺技术与材料研究 � 2011年 � 第 3期 合金的冲击断口除了有河流花样外还出现了明显的 韧窝区,如图 10a, 图 10b 所示, 图 10b中黑色箭头 所指即为韧窝区。 从合金冲击韧性角度考虑, 含硼 316不锈钢的 合适热处理制度为 980 � 固溶处理 4 h 后水淬, 经 过这种工艺处理后,合金的冲击韧性(由 3. 8 J/ cm2 提高到8. 4 J/ cm 2 )可以提高120%; 经400 � 回火 6 h后, 冲击韧性虽有所下降,但铸态合金相比仍提高 110%。 2. 4 � 抗压强度 热处理后, 合金的抗压强度有了很大的提高, 铸 态合金的抗压强度为 2 010 MPa, 经过 980 � 固溶 4、6 h处理后, 再经 300~ 500 � 回火 6 h后, 抗压强 度提高了 19%,最高提高到 2 400 MPa。 3 � 结语 1) 固溶温度在 900~ 1 040 � 变化时, 随着固 溶温度的升高和固溶时间的延长,晶界非平衡偏聚 的网状硼化物减少, 断网现象明显,但试样的硬度先 升高而后又降低。 2) 回火温度在 300~ 500 � 变化时, 随着回火 温度的升高和回火时间的延长, 硼化物在基体析出 增加,试样回火硬度升高, 抗压强度也升高, 但冲击 韧性有所下降。 3) 试验用含硼 316不锈钢的较适合热处理制 度为 980 � 固溶 4 h,水冷; 400 � 回火 6 h, 空冷。 热处理后,材料的硬度提高了 15%, 冲击韧性提高 了 110%, 抗压强度提高了 19%。 参考文献 [ 1] 王文俊,林均品, 王艳丽, 等. 316 不锈钢/ WC-Co 涂层在 锌液中的腐蚀[ J] .航空材料学报, 2006, 26( 4) : 56-60. 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