不锈耐热钢螺栓的热处理技巧解析

封头不锈耐热钢按其钢材内部组织特征可分奥氏体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型四类。耐热不锈钢不能进行淬火回火,它的强度只能通过冷作硬化及合金元素强化成沉淀硬化等方法获得。不锈钢和耐热钢紧固件的热处理,大都采用企业标准或各单位的专用工艺文件进行加工。 由于对热处理工艺规范、设备、工艺、质量控制及检验的有关方面较严格,为提高不锈钢、耐热钢紧固件的发展和品质提升, 现进行以下分析。 1. 钢材分析 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢是奥氏体型耐热不锈钢,也可称为高温合金。该钢退火状态下塑性和韧性较好,可以进行冷镦成形,切削加工性能和热处理性能良好,可使用到650-700℃,用于耐热、耐腐蚀的受力的发动机壳体螺栓完全可行,具有高强度、高抗松弛性、低缺口敏感性、一定的持久强度、良好的抗氧化性。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢可作为耐热钢使用,也可以当作高温合金使用。在GB/T14992-1994中高温合金牌号为GH2132,相当于美国AISI/ASTM A638标准中为660钢和日本JIS G4315标准中的SUS660钢。 奥氏体型不锈钢0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢可作为耐热钢使用,这是由于奥氏体的再结晶温度高,铁和其它元素的原子在其中的扩散系数小,故其强化稳定性比铁素体高, 压力表缓冲管用于工作温度高于650℃的发动机耐热紧固件多系奥氏体材料,是以奥氏体型不锈钢为基础添加一些热强性的合金元素而成。它们既可作为耐蚀性使用,也可作为耐热钢使用。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢含有大量的奥氏体稳定化元素,如 铬 、镍、钼、钛等合金元素。铬、镍在奥氏体型耐热钢中,能提高其抗氧化性;钼能提高奥氏体型钢的热强性;钛是比铬更易与碳结合形成稳定碳化物的元素,钛含量1.90%可以使大部分的碳存在于钛的碳化物之中,从而改善钢的抗晶间腐蚀能力。合金添加中有Al等元素,这种材料经过高温处理,并进行长时间的时效后,在组织中析出一种弥散的金属化合物,从而使该材料的抗拉强度提高。 工艺设计 发动机排气歧管用六角头螺栓,规格M8*20、M8*45,要求机械性能>7T级,硬度25HRCmin,抗拉强度Rm>780MPa。为此,我们进行了热处理工艺探索。热处理工艺试验参考国外相关工艺,修正某些参数,获得符合要求的机械性能。同时,根据工厂的生产现状,进行一些必要的摸索, 耐磨管道确定我们的生产方式与可行的热处理工艺。 2.1 生产工艺流程 备料—固溶—冷镦—再结晶退火—去应力回火—切六角头—搓丝—清洗—稳定化处理—时效—着色上蜡。 冷镦用耐热0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢丝牌号化学成分符合GB/T1221或GB/T14992标准,固溶状态交货,室温硬度≥200HRW。为了达到M8螺栓丝坯尺寸φ7.02-φ7.05必须经过材料高温拉拔,这时材料硬度可达到38HRc以上,不能进行冷镦成型,应进行固溶处理,以达到软化的目的。 固溶 成品丝固溶温度采用990±10℃保温1.5h,然后水冷。固溶处理,就是将刚加热至高温,使碳化物得到充分溶解,然后迅速冷却,得到单一奥氏体组织。经固溶处理后,硬度最低、塑性韧度良好,硬度在17-20HRc,这时加工成型性能最好。 固溶处理采用井式滲碳加热炉RQ3-90-9D设备。通常耐热钢热处理保护气氛主要是氩气,但氩气难以购买。一般可用放热式气氛或氮基气氛,我们采用甲醇20-40d/min和氨气0.15L/h、或氮气0.30L/h保护,滴控式装置控制。(以下再结晶退火830-850℃加热;稳定化处理830-850℃加热,工序操作同)。 该钢材固溶处理加热时多采用预热或分段加热,由于螺栓丝坯直径较小,加上形状简单,可在炉温到达工艺温度≤100℃(约900℃加热)时入炉。 由于井式滲碳加热炉分上、下区控温,当炉内所有热电偶指示温度都达到工艺温度(990℃)时,开始计算保温时间90min。 再结晶退火 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢制M8*20、M8*45六角头螺栓是采用二模二冲(双击整模)冷镦机生产,冷镦成型后冷作硬化倾向比较大, 可调缩孔必须进行再结晶退火,温度830-850℃、保温2-3h,使用设备RQ3-90-9D,采用甲醇20-40d/min和氨气0.15L/h、或氮气0.30L/h保护。在该温度下加热时碳化物沿晶界及滑形线析出,硬度下降。后续再去应力回火700-710℃,保温2-3h,硬度在18-23HRc。虽然比冷镦后硬度只是略有下降,但由于奥氏体晶粒进行再结晶退火后,在冲床切 六角头边时容易断屑,抗变形能力下降,Cr12MoV钢切边模使用寿命可达2万件以上。 最后的热处理工艺 六角头螺栓经搓丝完工,要经过清洗用碱性溶液洗净磷化膜,便于在热处理后着色(近似发黑颜色)。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢合金元素铬、镍含量相对较低,故抗氧化的温度仅在800℃以下,但是含弥散强化相形成元素(V、Al、Ti)量相对较高,在固溶体基体上可形成化合物强化相,罩型通气管所以常用热处理形式为固溶处理+时效。通过固溶处理,可以使合金固溶强化;通过时效处理,可以使合金析出细小强化相〔VC、Ni3Al、Ni3Ti,Ni3(Al﹒Ti)〕碳化物,从而提高室温和高温强度。 在固溶处理后螺栓经过前几道工序加工,为了获得一定数量的碳化物使钢强化必须进行调整处理,我们采用830-850℃稳定化处理工艺,在此温度范围内,Cr23C6碳化物将溶解,保温5h水冷或采用喷水冷却,以快速通过析出碳化物的温度区间,而TiC、VC碳化物仍然稳定,由此提高螺栓的抗晶界腐蚀能力。 不论经过何种调整处理后,螺栓还需进行时效处理,它是使钢强化的途径,由固溶体中析出弥散碳化物质点而使钢硬度提高。时效温度选择690-710℃,保温12-16h空冷。 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢固溶并时效处理后的显微组织为奥氏体+弥散化合物,化合物量约为2.5%。 上述工艺试验的结果表明时效处理的温度和保温时间对最终力学性能的影响甚小,时效处理温度确定为700℃*12h。0Cr15Ni25Ti2MoAlVB钢在热处理过程中, 篮式过滤器对温度的要求相对敏感,特别是固溶处理温度控制在±5℃,尽量偏下范围。原材料拉拔后,晶粒粗大对成品螺栓外径略有影响,在最后时效后,会造成外径尺寸偏小。因此,原材料晶粒度不得粗于4级。