热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响.pdf

第35卷第5期 2013年9月 上海金属 SHANGHAI METALS Vo1．35，No．5 September，2013 31 热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响 卢艳平 楼鹏飞 (1．山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原030003；2．浙江大鹏重工设备制造有限公司，浙江311800) 【摘要】 为解决高镍奥氏体无磁辊材料x5NicrTi2615MoAlVB在以往热处理工艺下硬度 不高等问题，通过分析x5 NiCrTi2615M0AlVB的成分，研究合金元素在材料中的作用，并利用 Jamatpro5．0软件进行相图计算，从而设计并试验得到适合该材料的最佳热处理工艺为：1 000 oC X 2 h固溶后水冷+760℃×12 h时效后空冷，最终有效地改善了高镍奥氏体无磁辊材料 组织和性能。 【关键词】 高镍无磁辊奥氏体热处理磁性能 EFFECT oF HEAT TREATMENT PRoCESSES oN MICRoSTRUCTURE AND PRoPERTY oF HIGH． NICKEL NoN．MAGNETIC RoLLER MATERIAL Lu Yanping Lou Pengfei (1．Shanxi Taigang Stainless Steel Co．，Ltd．Taiyuan Shanxi 030003，China； 2．Zhejiang Dapeng Heavy Equipment Manufacturing Co．，Ltd．，Zhejiang 31 1800，China) 【Abstract】 In order to solve the problems on hardness of the high—nickel non—magnetic roller material X5 NiCrTi26 1 5 MoA1VB，which was not hard enough by original heat treatment，the alloying ingredients of X5NiCrTi2615MoA1VB was analyzed．The software Jampatpro5．0 was used to design the best solution and aging process for X5NiCrTi2615MoA1VB stee1．i．e．1 000 cc×2 h solution (cooling in water)+760 oC X 1 2 h aging(cooling in air)．The microstructure and performance of the high-nickel non—magnetic roller material was ultimately improved． 【Key Words】High-Nickel Non—Magnetic Roller，Austenite，Heat Treatment，Magnetic Property 连铸机用的奥氏体无磁辊是连铸扇形段结晶 器电磁搅拌技术核心部件，其性能好坏直接关系 到连铸坯的质量(等轴晶比例)。无磁辊的工作 环境温度始终保持在800～1 200℃，长时间在高 温高循环载荷下工作，容易发生不同程度的磨损、 腐蚀以及疲劳现象¨ 。国外公司生产的连铸用 无磁辊价格过高，工期无法保证，给国内连铸厂家 生产作业带来不便，所以有必要自主开发出更好 的无磁辊材料以及工艺，使之具有更高强度和高 温性能 。X5NiCrTi2615MoA1VB钢是一种近年 作者简介：卢艳平，女，工程师，Email：mlmlmwb@163．con 来才出现的新型奥氏体材料，国内的研究相对匮 乏。作为高镍奥氏体无磁辊的材料，要求其不仅 具有很低的磁导率，更要有高硬度和高温强度。 为了解决以往国内热处理工艺下X5NiCrTi2615一 MoA1VB高镍奥氏体无磁辊材料硬度不高等性能 上的缺陷，经过分析x5MC i26l5M0AlVB钢的 合金化原理，探索最佳固溶时效热处理工艺，来满 足奥氏体无磁辊的各项性能指标，具有重要的意 义。 1试验材料和方法 32 上海金属 第35卷 1．1材料成分分析 试验所用高镍奥氏体无磁辊材料为X5NiCr— Ti2615MoA1VB，对材料进行化学成分分析，结果 见表1。 表1 高镍奥氏体无磁辊材料主要化学成分分析(质量分数) Table 1 Chemical composition of X5 NiCrTi26 1 5 M0AlvB by chemical methods(mass fraction)％ 1．2 Jamatpro相图计算及热处理试验 通过成分分析结果对高镍奥氏体无磁辊材料 x5NiC i2615M0A1VB进行Jamatpro5．0相图计 算，结合元素合金化原理，为该材料的热处理工艺 和组织理论提供一定的热力学基础。图1为 Jamatpro计算结果。 ●LIQUID ■ALJBTENITE 盼M日2 C32 ●M(c．N) ●LAVES 温度／℃ 图1 Jamatpro相图计算 Fig．1 Resuh of Jamatpro calculation 从Jamatpro结果图可以看出，高镍奥氏体无 磁辊材料在900 cC左右就能完全奥氏体化，所以 固溶处理温度必须大于900℃。根据文献[4]， 大部分的铬镍奥氏体钢的固溶温度普遍在1 010～ 1 150℃之间，这是由于固溶处理是要加热至固溶 度曲线以上，保证固溶效果，所以设计固溶处理温 度分别为1 000、1 050、1 100℃。从图1还可以 看出，材料在600～900℃时，能够析出大量第二 相，根据文献，该材料时效时主要析出相为 相 (Ni，(Ti、A1))E5]，并且含有少量的11相、Laves 相、G相、M。B 相析出，以 相为主要强化相，时 效温度一般选取在700～800 oC，所以设计时效处 理温度分别为710、760、810oC。 根据Jamatpro相图计算结果以及一些文献研 究 剖，设计材料热处理试验如下：试样共9组，试 样尺寸为10 mm x10 mm x15 mm，采用高温炉和 普通箱式炉分别对试样进行固溶时效热处理，方 案见表2。 1．3材料硬度及磁性测定 利用电子布氏硬度计HBE．3000A对热处理 后9个试样分别进行硬度测定，每个试样测5次， 取平均值。试样进行打磨抛光，利用三氯化铁试 剂(5 g HC1+50 ml HC1+H20)进行金相腐蚀，利 用金相显微镜对其进行显微观察，用GB一6394— 2002金相图谱评定试样晶粒度。 表2 固溶时效热处理方案 Table2 Solution and aging heat treatment programs 高镍奥氏体无磁辊材料X5NiCrTi2615Mo— A1VB在拥有较高硬度的同时，要求有很低的磁导 率，所以材料通过固溶时效热处理工艺后要保证 较纯奥氏体组织并且拥有很低的磁导率。试验利 用振动样品磁强计检测固溶时效热处理后试样的 磁学性能。 2试验结果讨论与分析 2．1硬度结果分析 测得9组经过不同固溶时效热处理工艺后试 样硬度结果，见图2、图3。 图2 固溶处理后各试样硬度值 Fig．2 Hardness value for each sample after solution treatment 伽 例馏 川 他 ∽皇＼ 静 第5期 卢艳平等：热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响 33 图3 固溶时效处理后各试样硬度值 Fig．3 Hardness value for each sample after solution and aging treatment 从图2可以看出，高镍奥氏体无磁辊材料 X5NiCrTi2615M0AlVB在经过固溶处理后，硬度普 遍过低，在115～124 HBS之间浮动，原因是当温 度上升到830℃时主要强化相^y 开始溶解，当温 度加热到固溶温度并且保温后， 强化相溶解并 均匀化，得到过饱和固溶体，降低了试样整体硬 度；另外在固溶加热阶段^y 相溶解程度直接关系 到热处理后最终硬度高低，而通过固溶热处理后， 硬度值相差不大，说明所选的这三个温度(1 000、 1 050、1 100 oC)，均高于^y 相(Ni A1、Ni Ti)完全 溶解温度(890℃)， 相已经完全均匀地溶解人 奥氏体基体，达到固溶热处理的目的，为后续的时 效处理做好准备。由于该材料热处理过程中不存 在相变再结晶的细化晶粒过程，而且固溶处理温 度高，晶粒会过大导致组织恶化，影响到材料的硬 度和塑性，如硬度结果所示，在同一时效处理温度 下，固溶温度越高的试样，在时效后硬度一般越 小，所以综上所述推荐使用1 000℃×2 h的固溶 处理工艺。 固溶处理后进行时效处理，在时效条件下，过 饱和固溶体开始分解，逐渐分解出弥散分布的 相强化相，硬度普遍大幅度升高，从而证明高镍奥 氏体无磁辊材料X5NiCrTi2615MoA1VB是通过时 效沉淀析出强化相作为强化手段的。从图3可以 看到，在同样的固溶热处理后，硬度随时效温度的 上升呈一个先升后降的趋势。当时效温度达到 760 c【=时，硬度达到峰值，结合图4，X5NiCrTi一 2615MoA1VB材料时效12 h后^y 相数量与时效温 度的关系 可以得知，在760℃时效12 h后， 相析出量最高，强化效果最好；当温度超过760 ℃，硬度降低，可能是由于材料中^y 相长大并且 有一定量的^y 相转化为 相，结合图5 x5NicrTi2615M0AlvB材料中 相析出曲线 j， 可以得到，在810 oC时效12 h后有大量 相析 出。11相的析出，消耗了相当数量的Ti，使^y 相数 量减少¨川，降低了强化效果，从而表现为硬度下 降。所以，在上述9种热处理方案中，2号试样， 即经过1 000℃固溶2 h水冷+760℃时效12 h 空冷后，硬度值最高，达到294 HBS，符合连铸用 奥氏体无磁辊使用要求(硬度>290 HBS)[31，并 且达到进口无磁辊硬度标准，是所涉及热处理工 艺中最佳方案。 图4 x5 NiCrTi2615M0AlVB材料时效16 h后 相数量与时效温度的关系 Fig．4 Relation between amount of phase and aging temperature after 1 6 hours aging 时效时间／l1 图5 )(5 NiCrTi2615Mo VB材料中11相析出曲线 Fig．5 Precipitation curve of 11 phase in X5 NiCrTi一 2615MoAlVB 对试验材料进行金相观察，结果见图6所示。 第5期 卢艳平等：热处理工艺对高镍奥氏体无磁辊材料组织和性能的影响 35 体无磁辊材料研究的空白。图8为太钢 235板 坯连铸用的x5NiCrTi2615M0AlvB钢无磁辊实物 照片。 图8 太钢 235板坯连铸无磁辊 Fig．8 235 slab continuous casting non-magnetic roller of TISCO 4结论 经过成分分析和调整热处理试验，可以得到 以下结论： (1)利用Jamatpro5．0相图计算以及合金化 原理的研究，设计并最终得到高镍奥氏体无磁辊 材料x5NiCrTi2615M0AlVB固溶时效最佳热处理 工艺为：1 o00℃×2 h固溶(水冷)+760 oC×12 h时效(空冷)，经此热处理后，材料满足无磁要 求，并且硬度达到294 HBS。 (2)通过对比金相可知固溶温度在1 000 oC 时，奥氏体组织晶粒较小；随着固溶温度的提高， 奥氏体组织晶粒变大；1 050 oC后，奥氏体组织晶 粒显著变大。 (3)同一固溶温度下，随着时效温度的升高， 高镍奥氏体无磁辊材料X5NiCrTi2615MoA1VB硬 度呈一个先增后降的趋势。 参考文献 [1]毛成杰，李波．连铸扇形段托辊失效原因分析及解决措施 [J]．冶金丛刊，2012(199)：25-26． [2]眭向荣，马计平，刘景风，等．连铸锟失效分析及堆焊技术研 究[J]．现代冶金，2010(38)：20-23． [3]杨正勇．连铸辊堆焊技术的现状浅析[J]．焊接，2006(10)： 57—59． [4]赵昌盛．不锈钢的应用及热处理[M]．北京：机械工业出版 社．2010：16-17． [5]高宏恩，李锁才．0Crl5Ni25Ti2MoVB钢固溶处理与力学性 能的关系[J]．风机技术，2002(02)：32 34． [6]刘俊建，陈国宏，王家庆，等．时效热处理对HR3C钢组织结 构及力学性能的影响[J]．合肥工业大学学报(自然科学 版)，2011(34)：47-51． [7]贾成洁．Super304H奥氏体不锈钢高温时效后组织结构的变 化[D]．大连：大连理工大学，2010． [8]郝红元，曹士锐，郝曜．固溶／时效处理对奥氏体耐热钢组织 与性能的影响[J]．金属热处理，2006(03)：65-67． [9]北京钢铁学院高温合金教研室．GH2132合金[M]．北京： 国防工程出版社，1980． [10]裴丙红，张红斌，刘勤学，等．时效温度对高钛GH2132合金 性能影响的研究[J]．特钢技术，2006(O1)：1—5． 收修改稿日期：2013—05．27 (上接第8页) comparison with aging under neutron irradiation[J]．Applied Surface Science，1996，94-95：362-369． [8]叶倩，赵世金．Fe基合金连续冷却相变的分子动力学模拟 [J]．上海金属，2012，4(3)：9，12． [9]Gao N，Wei K F，Zhang SX，eta1．The energy state and phase transition of CH clusters in bcc—Fe studied by a molecular dynamics simulation[J]．Chinese Physics Letters，2012，29 (9)：096102-096105． [1O]Osetsky 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