热处理基础工艺对35Ni4Cr2Mo合金钢的组织及性能的影响.docx

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热处理基础工艺对35Ni4Cr2Mo合金钢的组织及性能的影响

热处理工艺对35Ni4Cr2Mo合金钢组织及性能影响

1本课题研究目和意义

腐蚀是机械零部3种关键失效方法（磨损、腐蚀和疲惫）之一。

有些人统计每年全世界腐蚀报废金属约一亿吨,占年产量20%～40%。

而且伴随工业化进程,腐蚀问题日趋严重化,中国每年因腐蚀造成经济损失不低200亿元。

[1]所以,20世纪初,各国就对防腐蚀材料进行了研究。

镍含有显著钝化倾向,镍在稀非氧化性酸,尤其是在中性和碱性溶液之中,腐蚀过程显著变缓。

但对于多个苛刻而复杂介质而言,纯镍尚嫌不足。

这可经过合金化形成镍基耐蚀合金来处理。

镍对铜、铬、钼等元素有较高固溶度,所以能够组成成份范围广泛合金。

[2]

镍中加入铬、钼镍铬钼合金仍含有单相奥氏体结构,显示出优异耐蚀性能。

[1]Cr关键起固溶强化作用,是碳化物形成元素,是稳定合金表面最关键元素,它在机体材料表面形成抗氧化和抗腐蚀保护层,能阻止金属元素向外扩散和O、N2、S及其她有害元素向内扩散,能预防材料氧化和热腐蚀。

在镍中加入铬可大大加固钝化膜。

钼对镍及镍基合金强化作用高于铬,而且加钼能够提升镍在酸中耐腐蚀能力,[3]这实际上消除了局部腐蚀倾向。

Mo关键进入合金固溶体,加强固溶体中原子间结协力,有利于合金耐盐酸,硫酸等腐蚀。

Ni-Cr-Mo系合金就是优异耐腐蚀材料。

它含有耐中度氧化性酸和强还原性酸腐蚀性能,能耐盐酸、硫酸、氢氟酸等混合酸腐蚀。

[4]这种抗腐蚀性在还原性环境、复杂混合酸环境以及含有卤素离子溶液中尤其显著,而且兼有很好力学性能及加工性能,其综合耐蚀性能远比不锈钢和其它耐蚀金属材料优良,尤其适适用于现代工业技术下苛刻介质环境。

[5]广泛应用于航空,航天,能源,石化等领域。

即使镍铬钼合金比不锈钢及其她抗腐蚀材料耐腐蚀要好,不过,镍铬钼合金也存在着部分不足。

在一些环境如H2S环境中,材料会发生应力腐蚀开裂,形成解理断口影响材料性能。

而且,材料长时间处于腐蚀环境中,表面会遭到腐蚀。

不一样热处理工艺会改变钢组织,使钢性能发生改变。

经过适宜热处理工艺后,能够使镍铬钼合金奥氏体晶粒得到细化,消除或降低残余应力,使其组织和性能得到深入改善。

所以,我们需要对35Ni4Cr2Mo合金钢热处理工艺对组织及性能影响进研究。

35NCD16是法国航空工业常见一个中碳镍铬钼钢,该合金钢属于高韧性、高强度结构钢种。

该合金钢含有较高Ni、Cr、Mo合金元素,使钢过冷奥氏体相当稳定,钢淬透性很高,空淬即可得到马氏体和贝氏体组织。

淬火加高温回火或低温回火,可取得高强度或超高强度两个等级,可在大截面上取得均匀高强度和高韧塑性配合,含有低冷脆转变温度和高疲惫强度等。

该钢在调质（淬火+高温回火）或淬火加低温回火状态下使用,关键用于制造截面较大承受疲惫载荷关键部件,如轴类、对接接头、专用螺栓、起落架零部件等。

尤其是在XX型机零件中,需要热处理有110种,其中材料为35NCD1631种,占28%,而这31种零件中,关键件关键件占29%,该材料关键地位可见一斑。

该材料现已进行了全方面国产化,对应牌号为35Ni4Cr2MoA（E）,由抚顺特种钢厂生产,为全方面了解该材料性能,愈加好地应用该材料,我们对该材料热处理工艺进行了试验,对材料组织及性能影响进行研究,确定材料最好热处理工艺参数。

2镍铬钼合金研究现实状况

因为镍铬钼合金含有良好耐腐蚀性能,所以发展较快。

Ni-Cr-Mo系耐蚀合金经典牌号是HastelloyC合金（0Cr16Ni60Mo16W4）。

因为含有较高Cr和Mo且含有适宜配比它在部分强腐蚀性氧化-还原性介质中含有优异耐蚀性,所以,自1930年问世后,它在化学和原子能工业中得到广泛应用。

[6]在实际问题应用中,镍铬钼合金又得到了深入发展,有了愈加好耐腐蚀性能及力学性能。

1）18Cr2Ni4WA钢

18Cr2Ni4WA钢含有较多Cr、Ni等合金元素,含有优良力学性能和工艺性能,被广泛地用于制造高速、重载条件下船用发动机、航空发动机、坦克发动机及其它大型机械关键承载件,如曲轴、套齿、转接盘、法兰盘等。

其可贵之处不仅在于该钢含有良好强韧性、低温冲击韧度、回火稳定性以及较低回火脆性和缺口敏感性,而且还在于取得上述性能时,并不需要在淬火硬化时采取急冷方法。

因为18Cr2Ni4WA钢所含有高淬透性,会使其在空冷时即可淬透。

所以,对于截面较大、重载、使用温度改变大、形状复杂、精度高工件,是不可替换理想材料。

不过,18Cr2Ni4WA钢中粗大晶粒组织会显著降低钢强度和韧性,而且其显微组织遗传倾向较大,该钢组织晶粒一旦粗大化,就极难经过一次正火根本消除。

现在能够采取940～960℃空冷+750～770℃空冷+940～960℃空冷+750～770℃空冷+860～880℃油冷+540～560℃这么热处理工艺来细化晶粒,改善材料力学性能。

经过此种工艺复合热处理后,18Cr2Ni4WA钢综协力学性能达成了最好状态,尤其是冲击韧度指标有了较大程度提升。

复合工艺应用,极大地细化了钢奥氏体晶粒,经过两次预处理工艺使奥氏体晶粒深入细化和均匀化,取得了很好地晶界强化效果,极大地提升了钢基体强韧性,而且力学性能均匀性很好。

[7]

经过复合热处理工艺以后,因为冷却速度提升,有效控制了粒状组织（Gs）出现,经过复合热处理两次相变重结晶和两次相变硬化,强烈细化了奥氏体晶粒,并使之均匀化,有效改善了钢金相显微组织和强韧性,取得了良好综协力学性能。

所以我们看出,经过一定热处理工艺,能够使钢组织得到优化,从而提升钢综协力学性能。

2）热处理工艺对35CrMo钢耐蚀性能影响

35CrMo钢是一个中碳中合金结构钢,含有良好综协力学性能和工艺性能,其价格又比Cr-Ni钢等低廉,故在机械制造、汽车和石化等行业广泛用于制造传动轴、曲轴和紧固件等零部件[8-12],其最终使用状态为淬火+回火状态[13-14]。

它还有着良好耐磨性能和耐环境腐蚀能力,所以在国民经济中有着广泛用途。

研究不一样热处理工艺对其耐腐蚀性能影响,可揭示腐蚀发生规律,指导35CrMo钢使用前热处理工艺以及材料应用范围,也是35CrMo钢是否适宜应用于某一领域关键依据。

合金组织对材料耐蚀性能含有决定性作用,淬火使合金存在较大淬火应力引发材料耐腐蚀性能下降,而回火后消除了材料淬火应力,材料耐腐蚀性能得到显著提升,而且伴随回火组织粗化,合金耐腐蚀性能反而提升。

故在选择材料热处理工艺时,要依据材料使用环境来选择材料热处理工艺,不能一味追求材料力学性能提升,而忽略热处理对材料耐蚀性能影响。

研究表明:

（1）35CrMo钢经830℃×30min水淬得到均匀细小马氏体组织和残余奥氏体组织,随即再在不一样温度（450℃、650℃、700℃、750℃）保温1小时后空冷,依次取得回火屈氏体、回火索氏体、回火珠氏体、细小珠光体。

（2）在3.5%NaCl腐蚀环境下,35CrMo钢组织对材料耐腐蚀性能含有决定性作用,淬火使合金存在较大淬火应力引发材料耐腐蚀性能下降,而回火后消除了材料淬火应力,材料耐腐蚀性能得到显著提升,而且伴随材料组织粗化,合金耐蚀性能反而提升。

3）冷却速率对1Cr18Ni9T钢影响

冷却速率对钢力学性能相关键影响。

伴随冷却速率提升,铸坯裂纹倾向增大,所以限制了快速连铸和近终形连铸技术应用,对于不锈钢等高合金钢而言这种问题愈加严重。

为了改善铸坯质量、降低多种裂纹,非常有必需搞清楚材料在高温甚至在凝固过程中力学性能。

图1-1为1Cr18Ni9Ti钢以不一样速率冷却到不一样温度时抗拉强度。

能够看出,不管冷速大小,抗拉强度均随拉伸温度升高而降低。

但在1305℃以下,以小冷速冷却抗拉强度大于以大冷却速率冷却抗拉强度,而在1305℃以上规律基础相反。

所以,1Cr18Ni9Ti钢冷却到1320℃以上时,大冷速冷却时力学性能要好于小冷速冷却时力学性能,而冷却到1320℃以下时,大冷速冷却时力学性能要比小冷速冷却时要差。

在高温时固相率较低,溶质在枝晶间富集形成低熔点液膜,当液膜不能承受更大凝固收缩应力时,便发生了高温沿晶界断裂。

[15-16]

奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti在零强度温度和零塑性温度周围断裂与其凝固收缩有亲密关系。

大冷却速率可使1Cr18Ni9Ti钢凝固温度降低,使同一温度下液相率升高,提升液态金属补缩能力,从而改善1300℃以上力学性能,大大增加其塑性。

凝固收缩和金属液补缩作用对1Cr18Ni9Ti钢高温力学性能有很大影响,伴随固相率升高,材料破坏形式由沿晶断裂转变为穿晶断裂。

图1-11Cr18Ni9Ti钢以不一样速率冷却到不一样温度时抗拉强度

4）HastelloyC合金钢均匀化退火

钼对镍及镍基合金强化作用高于铬,而且加钼能够提升镍在酸中,尤其是在还原性酸[中耐腐蚀能力,这实际上消除了局部腐蚀倾向。

[17]

但高铬、钼含量会造成产生组织相L、P相（它们成份组成为（Ni、Cr、Fe）3（Mo,W）2）[18]。

图1-2是HastelloyC合金（合金成份为Ni-18Cr-18Mo-W）二次电子像,可知析出相大致形貌,其析出相元素扫描像见图1-3[19]。

由图1-2、图1-3可见,大块呈岛状析出物,内部为白区,含钼较多为P相,边缘黑区,含钼、钨较多,但钼量比白区要低,为L相。

另外,由图1-3还能够看出,靠大岛状析出物边缘处基体与远离处基体相比,它铬、钼、钨含量较低,这对合金力学性能、耐蚀性能是有害。

均匀化退火（1204℃×5h）能够减小产生这些组织相趋势,这就使铬、钼含量升高,含碳量对镍-铬-钼合金耐蚀性能有影响。

由图1-2可见,小颗粒状析出相就是富钼M6C型碳化物,这与镍-钼合金中产生M6C型碳化物而使合金实际钼含量降低对抗蚀性能影响是同一道理,这就要求碳含量应小于0.101%。

[20-21]

图1-2HastelloyC合金二次电子像

图1-3HastelloyC合金元素线扫描图

a—线扫描位置;b—元素线扫描

5）奥氏体晶粒细化

汽车用渗碳齿轮钢通常是沿用20CrMnTi钢,多年来伴随重型汽车发展,齿轮尺寸和模数加大,该钢性能已经不能满足使用要求,逐步被铬-钼系和铬-镍-钼系齿轮钢替换。

[22]重载齿轮在使用前要经过渗碳和淬火处理,而齿轮在渗碳温度范围内长时间保温时轻易出现奥氏体晶粒异常长大,由此形成不均匀奥氏体晶粒又会造成齿轮淬火时变形加剧以及疲惫强度降低。

奥氏体晶粒对钢热处理后组织和性能起着关键作用,经过钒-铌微合金化处理,可细化铬-镍-钼系齿轮钢奥氏体晶粒,提升其使用性能。

[23]钒,铌是广泛应用微合金化元素,含有在加热时阻止奥氏体晶粒长大作用。

[24]钒加人可经过V（C,N）沉淀和未溶V（C,N）粒子晶界钉扎作用而阻止奥氏体晶粒长大;铌碳氮化物含有很好高温稳定性,可在高温下细化奥氏体晶粒。

6）耐海水腐蚀材料研究

海洋作业中常见结构金属和合金都会受到海水或海洋大气侵蚀,比如:

船舶外壳、螺旋桨、海港码头多种金属构筑物、海上采油平台和输油管道等都会遭到海水严重腐蚀。

伴随深海研究和水下作业加速进行,耐海水腐蚀材料研究进展快速,其中镍基合金是一个关键耐海水腐蚀材料。

同时加入16%～22%铬及9%～18%钼镍基合金是在通常所知多种海洋环境中最耐腐蚀结构金属（见表1）,现在通用这类合金有HastelloyC、HastelloyC-276等,它们在海洋大气中都有非常好抗蚀性。

该类合金在海洋领域中用途是制造水翼、螺栓、螺栓浆和海水热交换器等。

在全浸条件下,Inconel600、InconelX-750合金在缝隙处仍会受到腐蚀,也会发生点蚀,In2conel718合金远比上述合金更抗缝隙腐蚀,这无疑是因为含有3%钼缘故。

美国VDM企业研制用于海水冷却装置合金59（Ni59Cr23Mo16Fe1）发生点蚀势能Eb（Eb是衡量材料抗点蚀能力标准,E>Eb时,材料通常会发生点蚀）为975mv,而HastelloyC-267为872mv,316L不锈钢则为325mv。

和316L不锈钢相比,合金59、HastelloyC-267含有高抗点蚀势能Eb,关键是因为HastelloyC-267含有16%钼、57%镍、318%钨,合金59含有16%钼、59%镍,所以说明了钼、镍在提升材料抗点蚀能力上起了关键作用。

同理,HastelloyC-267和合金59抗缝隙腐蚀能力提升关键是因为高镍、铬、钼含量所致。

但高铬、钼含量会造成产生组织相u、P相（它们成份组成为（Ni、Cr、Fe）3（Mo、W）2）。

均匀化退火能够减小产生这些组织相趋势,这就使铬、钼含量升高,还能够含有2175%～4%钨,钨加入可使镍基合金含有良好焊接性,抗在Cl酸中缝隙腐蚀,抗在酸气深井中应力腐蚀开裂,还可抗表面开裂。

含21.5%～23%Cr、13%～17%MoNi-Cr-Mo合金耐蚀性能最好。

比如对用于海水紧固装置合金UNSNo6686（Cr21Ni49Mo16W4）进行临界点蚀温度（CPT）、临界缝隙腐蚀温度（CCT）测试,该合金CPT、CCT都大于85℃,而通常耐海水腐蚀合金临界温度为40℃。

UNSNo6686在海水中侵蚀60天,该合金焊接处抗缝隙腐蚀;在1414℃海水中做180天缝隙腐蚀试验,该合金无点蚀、缝隙腐蚀。

由此可见,Ni-Cr-Mo合金比Ni-Cr、Ni-Mo合金更具优异耐蚀性,含有抗全方面腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀能力。

7）镍铬钼合金节镍

多年全球镍金属价格上涨,不锈钢节镍非常必需。

节镍不锈钢关键有铁素体不锈钢,Cr2Mn2Ni2N奥氏体不锈钢与含N双相不锈钢。

伴随现代经济高速发展,交通、建筑、食品与家用等设备与产品多用不锈钢,尤其是石化工业不锈钢需求量更呈大增,除采取一般不锈钢外,还采取高镍铬钼超奥氏体不锈钢。

镍金属最大用户为不锈钢,其比率达成65%,另外还用于镍基合金（11%）、镀层材料（8%）与合金钢（8%）等。

世界不锈钢总产量已超出25Mt,Cr2Ni奥氏体不锈钢约占全部不锈钢70%,奥氏体不锈钢含有较多镍,镍原料价格约占不锈钢价格40%～45%。

因为镍资源紧缺,亚洲国家不锈钢需求旺盛,伦敦金属交易所（LME）镍价格上升,不锈钢价格也随之大涨。

中国镍资源远远满足不了不锈钢行业需求,较大部份需进口。

在镍金属严重紧缺情况下,怎样少用镍甚至不用镍,发展节镍不锈钢是一个路径。

铁素体不锈钢中Cr含量通常为12%～30%,它含有比奥氏体不锈钢愈加好抗SCC性能和抗高温氧化性能,但其缺点是对晶间腐蚀敏感,塑性韧性较低,延性/脆性转变温度在室温以上,焊接热影响区晶粒粗化,焊接开裂倾向较大,475℃脆性与高温脆性等,上述缺点经研究是由间隙元素C、N造成。

伴随精炼技术进步,能够生产出C,N含量很低超铁素体不锈钢,而使上述欠缺得到改善,从而能够部分替换1828不锈钢。

[25-27]

现在中国不锈钢市场消费结构中奥氏体钢所占百分比为90%,其中以Cr-Ni系占极大部分,中国日常使用餐具、厨具不锈钢几乎均为奥氏体钢,为节省宝贵Ni资源,从生产步骤与消费步骤上大力推广节镍不锈钢,是中国经济高速发展必需方法,不仅在日用、食品、建筑与交通等领域,而且应在石油化工领域关键使用耐腐蚀奥氏体不锈钢部门应尽可能使用超铁素体、Cr2Mn2Ni2N与含氮双相等节镍不锈钢。

发高氮不锈钢目,关键是要节省战略物资Ni元素。

在元素中N是形成奥氏体最强元素,它与Ni元素相比较,其效果可提升25-30倍。

在通常情况下,为了得到奥氏体组织,使用25%Cr就必需用20%Ni相匹配。

假如在25%Cr中添加0.3%N时,用13%Ni就能够完全奥氏体化。

添加0.25-0.35%N就有良好耐腐蚀性能,在此基础上研制出节Ni型高N奥氏体不锈钢,即25Cr-13Ni-0.3N-0.8Mo钢种（YUS170钢）。

因为N元素在合金相中易形成间隙式固溶体,可有效提升基体强度。

YUS170钢与一般25Cr-20Ni奥氏体不锈钢相比,屈服点提升1倍,抗拉强度提升50%。

另外,还研制出相类似高N奥氏体不锈钢,为提升强度和耐蚀性而研制316LN钢（18Cr-11Ni-2Mo-0.2N）,考虑精简腐蚀把C含量控制在0.03%以下,已应用于化工装置中。

参考文件

[1]杨瑞成,聂福荣,郑丽平,车骥,兴长策,镍基耐蚀合金特征、进展及其应用,甘肃工业大学学报,,28卷,2

[2]黄嘉琥,吴剑主编,耐腐蚀铸锻材料应用手册,机械工业出版社,1991,103

[3]张承忠主编,金属腐蚀与保护,冶金出版社,1988,11:

481

[4]王平,裴峰,董力莎,哈氏C2276合金大型薄壁耐蚀构件制造,化工设备与防腐蚀,,5

（2）:

103-106

[5]刘海璋,李晓延,贺定勇,Ni-CrMo系合金焊后熔敷金属耐蚀性研究,失效分析与预防,,3,38

[6]范凯龙,陆康喜,张廷郁,寿世英,Cu对Ni-Cr-Mo合金耐蚀性影响,中国腐蚀与防护学报,1982,2:

45

[7]高为国,刘金武,贺永祥,18Cr2Ni4WA钢热处理工艺对显微组织和力学性能影响,湖南工程学院报,,11:

39

[8]朱跃峰,尹永晶,赵旭平等,加工条件与毛坯尺寸对35CrMo钢低温冲击性能影响,金属热处理,,3:

80-84

[9]陈光清,成品轴类件磨损后修复,机械工人热加工,,3:

23

[10]姚新,顾剑锋,李永军等,支撑方法对曲轴渗氮过程畸变影响有限元分析,上海交通大学学报,,2:

194-197

[11]次建格,浅谈低碳马氏体钢在石油机械行业中应用,机械工人热加工,,2:

43-45

[12]张建兵,施太和,练章华,钻井膨胀管膨胀过程中不均匀变形试验研究,石油机械,,7:

1-5

[13]杨春发,商瑞林,降低调质合金钢内齿面粗糙度工艺方法,通用机械,,12:

12-13

[14]倪艳敏,调质状态下35CrMo钢焊接,制造技术与机床,,2:

50-52

[15]BorlandJC.GeneralizedTheoryofSuper2SolidusCrackinginWelds（andCasting）[J].BritWeldJ,1960,7（8）:

508-512.

[16]ClyneTW,WolfM,KurzW.TheEffectofMeltComposi2tiononSolidificationCrackingofSteel,WithParticularRefer2encetoContinuousCasting[J].MetallurgicalTransactions,1982,13B

（2）:

259-265.

[17]张承忠主编,金属腐蚀与保护,冶金出版社,1988,148

[18]AmesRCrum,JonMpocle,EdwardLHibneretal.,CorrosionResistantNickel-Chromium–MolybdenumAlloys[P].US,5019104.1991,3.

[19]秦紫瑞,李隆盛,姚曼,HastelloyC型铸造镍基合金析出相及其对合金腐蚀行为影响,材料工程,1995,9:

18—21

[20]AmesRCrum,JonMpocle,EdwardLHibneretal.CorrosionResistantNickelChromiumMolybdenumAlloys.US,5019104.1991,3.

[21]EdwardLHibner,RalpbWRose,JamesRCrumetal.CorrosionResistantNickelBaseAlloy.US,5120614,1992,6

[22]杨林,邵亮,乔兵等,含Nb齿轮钢晶粒度研究,汽车工艺与材料,,5-6

[23]StaskoR,AdrianH,AdrianA,Effectofnitrogenandvanadiurnonaustenitegraingrowthofalowalloystee,MaterialsCharacterization,,56（4/5）:

340-347

[24]LeapMJ,BrownEI,Effectofcompositionandprocessingondevelopmentofgraincoarseningresisitanceincoldforgedandcarburizedsteel[J],MarerialsScienceandTechnology,,18（9）:

945-958

[25]DanielS,Janikowski.Super2ferriticstainlesssteelsrediscoveredstainlesssteelworldKClPublishingBV.www.stain2less2steel2world.net,1842190

[26]JindaistainlessLtd.Austeniticchrome2manganesestainlesssteels:

Costeffectivequalityprocluctsforwiderangingapplications.Stcinlesssteelinclustry,（8）:

9210

[27]游香米,姜周华,李花兵,超纯铁素体不锈钢品种精炼技术进展,特殊钢,,27（5）:

40-42