06Cr15Ni25Ti2MoAlVB耐熱螺栓件熱處理工藝


       我們都知道，用06Cr15Ni25Ti2MoAlVB生產(chǎn)制作的螺栓為耐熱螺栓，為了讓06Cr15Ni25Ti2MoAlVB螺栓達(dá)到特定的性能要求，就必須對它進(jìn)行相關(guān)的熱處理工藝，這時候，就是考驗熱處理工藝是否成熟。

 

        當(dāng)然，在將這個問題之前，我們要知道耐熱螺栓的一般服役條件，我們一般了解到，螺栓是一類有齒牙的連接副，耐熱螺栓既要承受高溫、交變載荷，又要在相當(dāng)大的程度上保持預(yù)緊力和耐疲勞強(qiáng)度的情況條件下使用，同時其還要在600攝氏度左右的高溫條件下持續(xù)工作。

 

       關(guān)于性能要求具體來說又可以說成是要求具有在高溫下能保持較高的強(qiáng)度硬度以及良好的韌性，要有高的抗松弛性和高溫穩(wěn)定性、足夠的強(qiáng)度、低的缺口敏感性、一定的持久強(qiáng)度、小的蠕變脆化傾向和良好的抗氧化性，高的耐疲勞性。最終處理后硬度28-33 HRC，σb≥950MPa ,σS≥800MPa。

 

        接下來我們也順便來認(rèn)識下06Cr15Ni25Ti2MoAlVB這款材料。它與各國的牌號對照關(guān)系如下：

 

        中國GB/JB標(biāo)號:06Cr15Ni25Ti2MoAlVB；日本JIS標(biāo)號:SUH660；美國AISI標(biāo)號:660；美國ASTM標(biāo)號:K66286；法國AFNOR標(biāo)號:Z6NCTDV25.15B（NF）。

 

        06Cr15Ni25Ti2MoAlVB力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度σb(MPa)：≥900；屈服強(qiáng)度σ0.2(MPa)：≥590；伸長率δ5(％)：≥15；斷面收縮率ψ(％)：≥18；硬度:≥248HB。

 

         06Cr15Ni25Ti2MoAlVB熱處理規(guī)范：固溶885～915℃或965～995℃快冷;時效700～760℃,16h空冷或緩冷。金相組織：組織特征為奧氏體型。

 

         06Cr15Ni25Ti2MoAlVB是奧氏體型耐熱不銹鋼，也可稱為高溫合金。該鋼退火狀態(tài)下塑性和韌性較好，可以進(jìn)行冷鐓成形，切削加工性能和熱處理性能良好，可使用到650-700℃，用于耐熱、耐腐蝕的受力的螺栓完全可行，具有高強(qiáng)度、高抗松弛性、低缺口敏感性、一定的持久強(qiáng)度、良好的抗氧化性。

 

         奧氏體型不銹鋼06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼可作為耐熱鋼使用，這是由于奧氏體的再結(jié)晶溫度高，鐵和其它元素的原子在其中的擴(kuò)散系數(shù)小，故其強(qiáng)化穩(wěn)定性比鐵素體高，用于工作溫度高于650℃的耐熱緊固件多系奧氏體材料，是以奧氏體型不銹鋼為基礎(chǔ)添加一些熱強(qiáng)性的合金元素而成。它們既有優(yōu)良的耐蝕性，也有相當(dāng)好的耐熱性能。

 

         06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼含有大量的奧氏體穩(wěn)定化元素，如鉻、鎳、鉬、鈦等合金元素。鉻、鎳在奧氏體型耐熱鋼中，能提高其抗氧化性；鉬能提高奧氏體型鋼的熱強(qiáng)性；鈦是比鉻更易與碳結(jié)合形成穩(wěn)定碳化物的元素，鈦含量1.90%可以使大部分的碳存在于鈦的碳化物之中，從而改善鋼的抗晶間腐蝕能力。合金添加中有Al等元素，這種材料經(jīng)過高溫處理，并進(jìn)行長時間的時效后，在組織中析出一種彌散的金屬化合物，從而使該材料的抗拉強(qiáng)度提高。

 

        一個材料的性能很大一部分來自于其自身的成分結(jié)構(gòu)配比，現(xiàn)在龍拓金屬模具鋼客服就帶您來了解06Cr15Ni25Ti2MoAlVB不銹鋼中各個元素所起到的作用。

 

        碳（C）：提高鋼件強(qiáng)度，尤其是其熱處理性能，但隨著含碳量的增加，塑性和韌性下降，并會影響到鋼件的冷鐓性能及焊接性能。含量過高會降低其延展性和耐蝕性。

 

        錳（Mn）：提高鋼件強(qiáng)度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火時增加了淬硬滲入的強(qiáng)度，錳還能改進(jìn)表面質(zhì)量，但是太多的錳對延展性和可焊性不利。并會影響電鍍時鍍層的控制。

 

        鎳（Ni）：提高鋼件強(qiáng)度，改善低溫下的韌性，提高耐大氣腐蝕能力，并可保證穩(wěn)定的熱處理效果，減小氫脆的作用。

 

        鉻（Cr）：能提高可淬性，提高耐腐蝕能力，并有利于高溫下保持強(qiáng)度?？稍黾涌寡趸?，使品粒細(xì)化，增加強(qiáng)度，硬度和耐磨性。

 

        鉬（Mo）：能幫助控制可淬性，降低鋼對回火脆性的敏感性，對提高高溫下的抗拉強(qiáng)度有很大影響。

 

        硼（B）：能提高可淬性，并且有助于使低碳鋼對熱處理產(chǎn)生預(yù)期的反應(yīng)。

 

        礬（V）：細(xì)化奧氏體晶粒，改善韌性。

 

        硅（Si）：保證鋼件的強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)暮靠梢愿纳其摷苄院晚g性。

 

        磷（P） 使鋼產(chǎn)生冷脆和降低鋼的沖擊韌性；但可改善鋼的切削性能。

 

        鋁（Al）脫氧，細(xì)化晶粒，增加鋼的強(qiáng)度硬度和耐磨性；有助于鋼的氮化，因而可提高鋼的熱穩(wěn)定性。

 

        鈦（Ti）可細(xì)化晶粒，降低鋼的過熱傾向性。能防止產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，Ti能與S作用，降低硫的熱脆作用。

 

        接下來進(jìn)入正題，我們來制定06Cr15Ni25Ti2MoAlVB加工路線：

 

        備料→固溶→冷鐓→再結(jié)晶退火→去應(yīng)力回火→切六角頭→搓絲→清洗→穩(wěn)定化處理→時效處理→著色上蠟。

 

        06Cr15Ni25Ti2MoAlVB制定預(yù)備熱處理和最終熱處理：

 

        該鋼中含有大量的奧氏體穩(wěn)定化元素，如鎳、鉻、鉬和鈮等合金元素，所以可在室溫下得到穩(wěn)定的奧氏體組織。理想的熱處理工藝是使該鋼獲得均勻分布的細(xì)晶奧氏體組織，具有良好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，在高溫時強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性能較好，同時也能增強(qiáng)其抗腐蝕的能力。

 

        奧氏體不銹鋼在常溫下為奧氏體組織，沒有淬硬性，沒有相變點(diǎn)，加熱不會發(fā)生相變，故不能通過淬火和回火來改變其性能。這里采用固溶、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火、穩(wěn)定化處理和時效處理工藝以改變其性能。

 

        1、預(yù)備熱處理：

 

        冷墩用耐熱06Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼絲牌號、化學(xué)成分符合GB/T 1221一2007或GB/T 14992一2005標(biāo)準(zhǔn)要求，固溶狀態(tài)交貨，室溫硬度≥200 HRW。為了達(dá)到M8螺栓絲坯尺寸功7.02一} 7.05 mm，必須經(jīng)過材料高溫拉拔，這時材料硬度可達(dá)到38 HRC以上，不能進(jìn)行冷加工成型，應(yīng)進(jìn)行固溶處理，以達(dá)到軟化目的。

 

        06Cr15Ni25Ti2MoAlVB固溶:

 

        所謂固溶處理，是指將合金加熱到高溫奧氏體區(qū)保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。

 

        固溶處理是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ’相等以得到均勻的暈飽和固溶體，便于時效時重新析出顆粒細(xì)小、分布均勻的碳化物和γ’等強(qiáng)化相，同時消除由于冷熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。其次，固溶處理是為了獲得適宜的晶粒度，以保證合金高溫抗蠕變性能。固溶處理的溫度范圍大約在980~1250度之間，主要根據(jù)各個合金中相析出和溶解規(guī)律及使用要求來選擇，以保證主要強(qiáng)化相必要的析出條件和一定的晶粒度。對于長期高溫使用的合金，要求有較好的高溫持久和蠕變性能，應(yīng)選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度；對于中溫使用并要求較好的室溫硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度的合金，可采用較低的固溶溫度，保證較小的晶粒度。高溫固溶下理時，各種析出相都逐步溶解，同時晶粒長大；低溫固溶處理時，不僅有主要強(qiáng)化相的溶解，而且可能有某些相的析出。對于過飽和度低的合金，通常選擇較快的冷卻速度；對于過飽和度高的合金，通常為空氣中冷卻。

 

         成品絲固溶溫度采用(990±10)℃保溫1.5h，然后水冷。固溶處理采用井式滲碳加熱爐RQ3-90-9D，通常耐熱鋼熱處理保護(hù)氣氛主要是氫氣，但氫氣難以購買，一般可用放熱式氣氛或氮基氣氛，筆者采用甲醇20一40 d/min和氨氣0.15 L/h、或氮?dú)?.30 L/h保護(hù)，滴控式裝置控制(以下再結(jié)晶退火830一850℃加熱，穩(wěn)定化處理830一850℃加熱工序操作同)。

 

         該鋼材固溶處理加熱時多采用預(yù)熱或分段加熱，由于螺栓絲坯直徑較小，加上形狀簡單，可在爐溫到達(dá)工藝溫度(約900℃加熱)時入爐。由于井式滲碳加熱爐分上、下區(qū)控溫，當(dāng)爐內(nèi)所有熱電偶指示溫度都達(dá)到工藝溫度(990 C)時，開始計算保溫時間90 min 。

固溶處理就是將鋼加熱至高溫，使碳化物得到充分溶解，然后迅速冷卻，得到單一奧氏體組織。經(jīng)固溶處理后，硬度最低、塑性韌性良好，硬度在17一20 HRC，這時加工成型性能最好。固溶后不發(fā)生相變，處理后是過飽和的r-Fe固溶體。

 

         b)再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火:

 

         再結(jié)晶退火是經(jīng)冷形變后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘余應(yīng)力的退火工藝。

 

         去應(yīng)力退火是為了去除由于塑性形變加工、焊接等造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力（但不引起組織的變化）而進(jìn)行的退火。

冷墩成型后冷作硬化傾向比較大，必須進(jìn)行再結(jié)晶退火，溫度830一850 C、保溫2一3 h,使用設(shè)備RQ3-90-9D，采用甲醇20 w 40 dlmin和氨氣0.15 L/h或氮?dú)?.30 L/h保護(hù)。在該溫度下加熱時碳化物沿晶界及滑形線析出，硬度下降，后續(xù)再去應(yīng)力回火700--710度，保溫2--3 h，硬度在18-23 HRC o雖然比冷嫩后硬度只是有所下降，但由于奧氏體晶粒進(jìn)行再結(jié)晶退火后，在沖床切六角頭邊時容易斷屑，抗變形能力下降，提高模具壽命。

 

        2、最終熱處理工藝:

 

        06Cr15Ni25Ti2MoA1VB鋼合金元素鉻、鎳含量相對較低，故抗氧化溫度僅在800℃以下，但是含彌散強(qiáng)化相形成元素(V, A1, Ti)量相對較高，在固溶體基體上可形成化合物強(qiáng)化相，所以常用熱處理形式為固溶處理+時效。通過固溶處理，可使合金固溶強(qiáng)化;時效處理，可使合金析出細(xì)小強(qiáng)化相〔VC,Ni3A1, Ni3Ti , Ni3 ( A1.Ti ) ]碳化物，從而提高室溫和高溫強(qiáng)度。 在固溶處理后，螺栓經(jīng)過前幾道工序加工，為獲得一定數(shù)量的碳化物使鋼強(qiáng)化，必須進(jìn)行調(diào)整處理。這里采用830一850C穩(wěn)定化處理工藝，在此溫度范圍內(nèi)，Cr23C6碳化物將溶解，保溫Sh水冷或采用噴水冷卻，以快速通過析出碳化物的溫度區(qū)間，而TiC,VC碳化物仍然穩(wěn)定，由此提高螺栓的抗晶界腐蝕能力。

 

        不論經(jīng)過何種調(diào)整處理后，螺栓還需要進(jìn)行時效處理，它是使鋼強(qiáng)化的途徑，由固溶體中析出彌散碳化物質(zhì)點(diǎn)而使鋼硬度提高。時效溫度選擇690一710C，保溫12一16h空冷，。

 

        OCr15Ni25Ti2MoA1VB鋼固溶加時效處理后的顯微組織為:奧氏體+彌散化合物，化合物量約為2.5%。時效處理的溫度和保溫時間對最終力學(xué)性能影響甚小，時效處理溫度確定為700C X 12 h。

 

        由于熱處理的裝爐方式一般為散放推積方式，熱處理的有效尺寸的確定就不能按照單個工件的尺寸來考慮，有效尺寸按散放推積厚度計算。熱處理的爐型比較多，有鹽浴爐、連續(xù)爐、多用爐等爐型。加熱保溫系數(shù)a=1.2~1.5min/mm（連續(xù)爐），a=0.35~0.45min/mm（鹽浴爐）。在連續(xù)式電爐中的保護(hù)氣氛一般采用甲醇滴注氣氛。

 

        06Cr15Ni25Ti2MoAlVB熱處理檢驗：

 

        由于熱處理不當(dāng)會引起一系列的熱處理缺陷，以致零件報廢，所以熱處理之后需要對零件進(jìn)行抽樣檢驗，檢驗內(nèi)容主要有：宏觀組織的檢驗分析、微觀組織的檢驗分析、力學(xué)性能的檢驗分析、內(nèi)部組織的無損檢測、熱處理變形和開裂等。

 

        如果發(fā)現(xiàn)零件不合格，需要對零件設(shè)計以及加工路線的制定進(jìn)行一定的調(diào)整，直到零件合格率達(dá)到一定的要求。

 

        成本經(jīng)濟(jì)性分析：

 

        當(dāng)數(shù)種工藝都能滿足使用要求時，應(yīng)該選用現(xiàn)有熱處理條件，例如設(shè)備、淬火介質(zhì)、工裝夾具等，做到工藝流程簡化、生產(chǎn)效率高、能耗低、操作簡單可靠。