回火工艺对含氮不锈钢30Cr15MoVN组织和性能的影响
2018-09-26

我国常用的不锈轴承钢为9Cr18及少量的9Cr18Mo（440C）高碳铬马氏体不锈轴承钢，淬火后通过析出的碳化物来保证较高的强度、硬度和耐磨性，较高的高温、低温尺寸稳定性及抗回火稳定性。由于合金中含碳量在0.9%～1.0%，在凝固过程中会形成大量的、呈带状和网状分布的共晶碳化物，热处理时无法消除，严重降低了轴承钢的塑韧性、耐蚀性和疲劳性能。随着冶金技术水平的提升以及人们逐渐认识到氮在提升不锈钢的强度、硬度和耐蚀性方面的积极贡献，氮合金化代替碳的研究和生产在美国、欧洲、印度和日本等国家迅速发展。

本次试验钢根据氮合金化原理设计的成分，采用加压感应炉熔炼出氮含量较高的不锈钢，并研究了回火温度对试验钢抗拉强度、硬度和韧性的影响。
试验钢为30Cr15MoVN，采用氮气氛加压感应炉进行熔炼。炉料选用工业纯铁、含氮铬铁、钼铁、铬铁、钒铁和石墨。钢在氮气氛加压感应炉中冶炼后浇注成Φ120mm的铸锭，切割后经高温锻造成Φ70mm的棒材。按照国标在锻材上截取轴向试样进行分析和测试，化学成分分析结果如表1所示。
表1 试验钢的化学成分（质量分数，%）



元素

C

Cr

Mn

S

Mo

V

N

质量分数

0.32

15.50

0.51

0.006

1.21

1.05

0.13

 


试验钢的热处理在马弗炉中进行，热处理试样从Φ70mm的棒材上切取，尺寸为12mm×12mm×75mm。热处理工艺为：在1050℃保温30min后，油淬，然后将试样分别在不同温度下回火2h后空冷，回火温度分别为150、250、350、450、550℃和650℃。通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究回火后不锈钢的组织变化，对试样进行拉伸、冲击实验和硬度测试。结果表明：
（1）30Cr15MoVN最佳热处理工艺为1050℃油冷淬火+350℃×2h回火，Rm≥1500MPa，HRC≥57，V型缺口冲击功大于5J，具有良好的综合力学性能，能够满足轴承钢的服役性能要求。
（2）低于350℃回火时，由于钢中析出了较多的碳化物，试验钢的强度逐渐提高；在550℃以上回火时，回火马氏体分解导致强度逐渐下降、韧性上升。350℃回火时试验钢出现了明显的二次硬化效应，在550℃以上高温回火时钢的硬度急剧降低，出现回火软化现象。
    （3）回火后试验钢中析出了大量细小的、具有良好形态和分布的碳化物，保证了试验钢的力学性能。