热处理-25Cr5MoA钢的热处理工艺

25Cr5M oA钢的热处理工艺 张 　兰 1 ,陈 　波 2 ,任学平 2 (11太原钢铁 (集团 )有限公司 技术中心 ,山西 太原 　030003; 21北京科技大学 材料科学与工程学院 ,北京 　100083) 摘要 :为满足柴油机柱塞套用材料的要求 ,研制了一种新型渗氮钢 25Cr5MoA,并研究了热处理工艺对该钢力学性 能的影响。结果表明 , 25Cr5MoA钢的最佳热处理工艺为 930℃ ×30m in淬火、油冷 ,随后 600℃ ×120m in回火。 经该工艺处理后钢组织为回火索氏体 ,其组织均匀细小 ,具有良好的综合力学性能 ,可满足柴油机柱塞套高强韧 性的要求。 关键词 : 25Cr5MoA钢 ;热处理 ;力学性能 中图分类号 : TG156　　文献标识码 :A　　文章编号 : 0254 - 6051( 2005) 1120064204 Hea t Trea tm en t Process of 25Cr5M oA Steel ZHANG Lan1 , CHEN Bo2 , REN Xue2p ing2 (11Technology Center of Taiyuan Iron and Steel( Group) Co. , L td. , Taiyuan Shanxi 030003, China; 21School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract:A new kind of nitriding steel 25Cr5MoA was studied to satisfy the requirement of diesel engine p lunger bushing. And the effect of heat treatment p rocess on mechanical p roperties of 25Cr5MoA steelwere also studied. The re 2 温度的升高 ,冲击功 AKV值均提高。当回火温度在 500 ～600℃时 ,冲击功 AKV值保持较好水平 ,高出使用性 能要求一倍以上。 3　分析与讨论 随着回火温度升高 ,材料的抗拉强度降低 ,韧性提 高。图 4为 30CrN iMo414V钢不同温度回火后的组织 形貌。从试验结果可以看出 ,低温回火时 ,组织为回火 马氏体 ,其屈服强度还是很高 ,下降不大 ;随着回火温 度提高到 500～600℃,马氏体中的碳析出 ,并且与基 体中的 Mo等元素形成了 MC型碳化物 ,这种碳化物大 量弥散析出且均匀地分布于基体中 ,不仅阻止了材料 强度进一步下降 ,同时也提高了材料的冲击功 ;当进一 步升高回火温度 ,合金碳化物开始聚集长大 ,材料强度 又开始下降 ,冲击功 AKV值进一步提高。 图 4　30CrN iMo414V钢经不同温度回火后的组织 　×1000 ( a) 200℃,回火马氏体　 ( b) 400℃,回火屈氏体　 ( c) 650℃,回火索氏体 Fig. 4　M icrostructure of the 30CrN iMo414V steel tempered at different temperature　×1000 ( a) 200℃, tempered martensite　 ( b) 400℃, tempered troostite　 ( c) 650℃, tempered sorbite 4　结论 (1) 30CrN iMo414V 钢具有较宽的回火温度范 围 ,从强韧性等方面综合考虑 , 经 900℃淬火的 30CrN iMo414V钢回火温度为 500～600℃。 (2) 随回火温度升高 , 30CrN iMo414V 钢的抗拉 强度和屈服强度均降低 ,冲击功提高 ; 但在 500 ～ 600℃回火 ,抗拉强度和屈服强度出现一个平台 ,冲击 功进一步提高 ;当回火温度超过 550℃后 ,冲击功 AKV 值超过 50J。 参考文献 : [ 1 ]　刘永铨. 钢的热处理 [M ]. 北京 :冶金工业出版社 , 1987, 11: 129. [ 2 ]　霍尼库姆 R W K. 钢的显微组织和性能 [M ]. 北京 :冶金 工业出版社 , 1985, 7: 164. 46 《金属热处理 》2005年第 30卷第 11期 sults show that the op timum heat treatment is austenitizing at 930℃ for 30m in, then oil quenching and 600℃ ×120m in tempering. After heat treating, the m icrostructure of 25Cr5MoA steel is fine sorbite and the steel has good comp rehensive p roperties, so it can meet requirement of both high strength and high toughness for diesel engine p lunger bushing. Key words: 25Cr5MoA steel; heat treatment; mechanical p roperties 作者简介 :张 　兰 (1967. 07—) ,女 ,山西大同人 ,高级工程师 , 主要从事材料加工的研究工作。联系人 :任学平 ,联系电话 : 13611252065　E2mail: rxp33@mater. ustb. edu. cn 收稿日期 : 2005206203 　　柴油机用柱塞套属于重要精密零件 ,直接影响到 工程柴油机的可靠性和机动性。柱塞套在服役过程 中 ,既受到高压油脉冲载荷的作用以及高压油腐蚀 ,又 要承受与做高速往复运动柱塞间的剧烈摩擦作用 ,因 此要求柱塞套用材料必须具有较高的强度、韧性、耐腐 蚀性、表面耐磨性以及优良的抗疲劳性能。随着工程 柴油机功率的增加 ,对燃油喷射系统的要求也越来越 高 ,柱塞套经受油压也越来越高。柱塞套油压的升高 , 对其材料的强韧性和表面硬度提出了更高的要求 [ 1 ] , 传统的 GCr15钢和 38CrMoA lA渗氮钢因材质脆而难 以满足高压柱塞套的要求。因此 ,开发柴油机高强韧 性柱塞套用材料具有重要意义。国外发达国家用于制 造柴油机柱塞套的材料是在压力容器用钢的基础上发 展起来的 [ 2 ] ,根据其化学组成 ,相当于 25Cr5MoA钢。 目前国内尚无与 25Cr5MoA对应的钢种。为此 ,作者 研发了 25Cr5MoA钢 ,并在此基础上对该钢的调质热 处理工艺进行了试验研究。 1　试验材料及方法 111　材料制备 试验用钢由碱性电炉冶炼 , LF精炼 ,真空脱气 ,在 真空室内浇注成锭 ,再经轧制、锻造加工成截面尺寸为 15mm ×15mm的坯料。试验用钢的化学成分 (质量分 数 , % ) 为 0124C、0133Si、0101P、010015S、4163Cr、 01055N i、01042A l、0139Mo、0104V、01049Ti、010013B、 01053Cu。 112　试验方法 利用热膨胀法测得 25Cr5MoA钢相变点温度分别 为 Ac1 = 770℃, Ac3 = 837℃,M s = 350℃。试验所采用 的热处理工艺参数为淬火温度 910～950℃,淬火保温 时间 10～50m in,油淬 ;回火温度 560～640℃,回火保 温时间 60～180m in,回火后空冷 [ 3 ]。 热处理后试样毛坯精加工成 <5mm 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 拉伸试 样和 10mm ×10mm ×55mm标准夏比 V型缺口冲击试 样。采用 SX224210箱式电阻炉进行热处理 ,并通过 KSY24的温度控制仪进行控温 ;采用 MTS810材料试 验机测定材料的力学性能 ;采用 JB 230B摆锤冲击试验 机测定材料的冲击性能。 2　试验结果与分析 211　回火温度对力学性能的影响 图 1为在 930℃×30m in淬火油冷、不同回火温度 保温 120m in条件下 ,回火温度对材料力学性能的影 响。由图 1可以看出 ,回火温度在 560～640℃范围 内 ,屈服强度 σ012为 1102～860MPa,抗拉强度 σb 为 1340～1141MPa;伸长率δ5 为 9144% ～13112% ,断面 收缩率 ψ为 56165% ～68144% ; 冲击功为 6110 ～ 13915J,硬度为 4412～3011HRC。随着回火温度的升 高 ,屈服强度、抗拉强度及硬度降低 ,当回火温度高于 600℃后 ,随回火温度的升高 ,屈服强度、抗拉强度及硬 度降低幅度比较大。伸长率、断面收缩率及冲击功随 回火温度的增加而增大 [ 4 ] 。其中伸长率、断面收缩率 图 1　25Cr5MoA钢回火温度对强度 ( a)、塑性 ( b)和冲击韧性 ( c)的影响 Fig. 1　Effect of tempering temperature on strength ( a) , p lasticity( b) and impact toughness( c) of the 25Cr5MoA steel 随回火温度的变化较小 ,而冲击功基本上呈线性增加 趋势 ,增加幅度为 7815J。 回火不仅要保证相应的组织转变 ,还要不同程度 地消除内应力。25Cr5MoA 钢淬透性好 ,淬火后的组 织主要由马氏体和少量残留奥氏体组成 ,具有高硬度、 56《金属热处理 》2005年第 30卷第 11期 高强度 ,但塑性、韧性很差 ,需要经过高温回火才能保 证其使用性能要求。 本试验研究的 25Cr5MoA 钢随着回火温度的升 高 ,由于碳化物的球化和长大 ,及α相的回复和再结 晶 ,钢的强度下降 ,而塑性、韧性逐渐增加 ,因而可以获 得良好的综合力学性能。 　　由于在 600℃以上回火 ,强度下降非常明显 ,影响 了材料的使用性能 ,且韧性的增加也已趋缓 ,为了获得 理想的强韧性配合 , 600℃的回火温度是一个比较好的 选择。 212　回火保温时间对力学性能的影响 图 2为在 930℃ ×30m in淬火油冷、600℃回火保 温不同时间条件下 ,回火保温时间对材料力学性能的 影响。由图 2可以看出 ,在回火保温时间 120m in时 , 屈服强度、抗拉强度和冲击功都达到最大值 ,此时σb = 1260MPa,σ012 = 1153MPa,冲击功为 15316J;回火保 温时间 > 120m in,屈服强度、抗拉强度及冲击功明显 降低。材料的硬度随回火保温时间的增长 ,逐渐降 低。伸长率和面缩率随回火保温时间的变化幅度不 大。 回火保温时间也是保证力学性能的一个重要因 素。确定回火保温时间的原则是 : ①使工件表里温度 均匀 ,以保证组织转变充分进行 ; ②尽可能地消除内应 力 ,使工件回火后的性能符合要求。25Cr5MoA 钢随 着回火保温时间的增长 ,屈服强度和抗拉强度先增大 后降低 ,因而 ,要满足材料的使用性能 ,回火保温时间 不宜过长。综合考虑材料的强韧配合 ,回火保温时间 选择 120m in是比较理想的。 图 2　25Cr5MoA钢回火保温时间对强度 ( a)、塑性 ( b)和冲击韧性 ( c)的影响 Fig. 2　Effect of tempering holding time on strength ( a)、p lasticity( b) and impact toughness( c) of the 25Cr5MoA steel 213　淬火温度对力学性能的影响 图 3为试样不同淬火温度保温 30m in、随后 600℃ ×120m in回火条件下 ,淬火温度对材料力学性能的影 响。由图 3可以看出 ,随着淬火温度升高 ,屈服强度、 抗拉强度及硬度均逐渐增大 [ 5 ]。当淬火温度大于 930℃时 ,随着淬火温度升高 ,屈服强度和抗拉强度基 本不发生变化 ;伸长率、断面收缩率逐渐降低 ,但变化 非常小 ,而冲击功在 930℃时达到最大值 15415J。 淬火的主要目的是获得马氏体 ,以便在适当温度 回火后 ,使工件获得所需要的力学性能。但由于受过 冷奥氏体稳定性、截面尺寸及淬火冷却速度的影响 ,一 般淬火后工件不一定能获得全部马氏体 ,工件内部还 可能有贝氏体、珠光体型组织存在。25Cr5MoA 钢在 600℃回火条件下 ,随着淬火温度升高 ,冲击功先增加 后降低。分析这种现象产生的原因 ,认为奥氏体的晶 粒尺寸和晶间碳化物的溶解程度是影响淬火高温回火 后 25Cr5MoA钢冲击功的主要因素。随着淬火温度升 高 ,碳化物溶解的数量增加 ,使晶粒间的结合力提高 , 从而提高了冲击功 ;另一方面 ,随着淬火温度升高 ,奥 氏体晶粒长大 , 降低了冲击功。当淬火温度低于 930℃时 ,前一种因素占主导地位 ,表现为随温度升高 , 冲击功增加 ;当淬火温度高于 930℃时 ,后一因素转而 起主导作用 ,使冲击功明显降低。因此 , 930℃淬火能 满足强韧性配合的要求。 图 3　25Cr5MoA钢淬火温度对强度 ( a)、塑性 ( b)和冲击韧性 ( c)的影响 Fig. 3　Effect of quenching temperature on strength ( a) , p lasticity( b) and impact toughness( c) of the 25Cr5MoA steel 66 《金属热处理 》2005年第 30卷第 11期 214　淬火保温时间对力学性能的影响 图 4a～c为试样经 930℃淬火保温不同时间、随 后 600℃×120m in回火条件下 ,淬火保温时间对材料 力学性能的影响。由图 4可以看出 ,淬火保温时间在 10～50m in范围内时 ,淬火保温时间对材料屈服强度 和抗拉强度的影响比较大。淬火保温时间在 30m in 时 ,屈服强度达到最大值 ( 1122MPa) ,在 40m in时 ,抗 拉强度达到最大值 (1285MPa) ;当淬火保温时间大于 30m in以后 ,随淬火保温时间的增长 ,伸长率、面缩率 以及冲击功、硬度变化较小。 淬火保温时间的确定原则应该是有足够的时间使 奥氏体成分均匀化 ,而又不使奥氏体晶粒过分长大。 随着淬火保温时间的延长 ,奥氏体晶粒逐渐长大和粗 化。在本试验中 ,当淬火保温时间为 10m in时 ,由于保 温时间太短 ,奥氏体中溶解的碳和合金元素含量低 ,且 成分不均匀 ,淬火后得到成分不均匀的马氏体组织 ,所 以钢的强度偏低。因此 ,淬火保温时间不能太短 ,也不 可太长。淬火保温 30m in是比较合适的。 图 4　25Cr5MoA钢淬火保温时间对强度 ( a)、塑性 ( b)和冲击韧性 ( c)的影响 Fig. 4　Effect of quenching holding time on strength ( a) , p lasticity ( b) and impact toughness( c) of the 25Cr5MoA steel 215　组织观察 试验钢经 930℃加热 (保温 30m in)油淬后的组织 为均匀细小的马氏体 ,如图 5a所示。930℃油淬后的 试样经 600℃ (保温 120m in)回火后 ,α相发生回复和 再结晶 ,马氏体转变为等轴晶 ,形成由细粒状渗碳体和 等轴状铁素体所构成的复相组织 ,即回火索氏体组织 , 如图 5b所示。 图 5　25Cr5MoA钢经淬火 ( a)与回火 ( b)后的组织 Fig. 5　M icrostructures of the 25Cr5MoA steel after quenching( a) and tempering( b) 3　结论 (1) 回火温度、回火保温时间对 25Cr5MoA钢力 学性能的影响非常大 ,淬火保温时间对材料强度的影 响较大 ,可供选择的范围较小 ,因此 ,为了制备出高品 质的 25Cr5MoA钢 ,满足工程柴油机高压柱塞套的需 求 ,需要正确选择与控制回火温度、回火保温时间及 淬火保温时间。相对来说 ,淬火温度对 25Cr5MoA钢 力学性能的影响比较小 ,因此 ,可以选择的范围比较 大。 (2) 通过试验所确定的 25Cr5MoA钢的理想热处 理工艺为 : 930℃×30m in淬火油冷 , 600℃ ×120m in回 火。经该工艺热处理后 , 25Cr5MoA 钢具有良好的综 合力学性能 ,可满足工程柴油机高强韧柱塞套的使用 要求。 参考文献 : [ 1 ]　尚宇辉 ,陈 　峰 ,等. 车用柴油机电控燃油喷射系统的研 究现状和发展趋势 [ J ]. 柴油机 , 1999, (4) : 56258. 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