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        電機(jī)軸瓦材料時(shí)效處理工藝研究

        2019-06-26 08:09:52鄭吉偉曲兆國
        上海大中型電機(jī) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:碳化物時(shí)效奧氏體

        杜 娟,鄭吉偉,曲兆國,秦 斌

        (哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,黑龍江哈爾濱 150066)

        0 引言

        電機(jī)軸承為水潤滑軸承,軸承瓦部件服役環(huán)境復(fù)雜,要求瓦部件用材料具有良好的耐腐蝕性能,高硬度,優(yōu)良的耐磨性及良好的加工性能。軸承瓦材料的綜合性能需求對現(xiàn)有不銹鋼材料提出新的發(fā)展要求[1]。GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼為德標(biāo)材料,具有良好的耐磨性及耐腐蝕性,其鑄態(tài)硬度(約51 HRC)滿足主泵電機(jī)軸承瓦部件的設(shè)計(jì)要求(≥45 HRC),然而其低塑韌性導(dǎo)致鑄件在加工過程中出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象,嚴(yán)重影響該材料的使用。通過熱處理改善該材料的韌性,以滿足主泵電機(jī)軸承瓦部件用材料的綜合要求是有望解決問題的途徑。

        本課題對GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼時(shí)效處理工藝進(jìn)行探索,初步掌握時(shí)效處理工藝與微觀組織、力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系,確定合理的熱處理工藝,在滿足使用性能的同時(shí)優(yōu)化其加工性能,從而達(dá)到電機(jī)推力軸瓦用材料的要求。豐富該材料熱處理及性能數(shù)據(jù),為其合理應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)材料為真空感應(yīng)爐冶煉并經(jīng)二次精煉的GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼鑄件,其硬度約為51 HRC,化學(xué)成分范圍如表1所示。

        表1 GX150CrNiMoCuN41-6-2化學(xué)成分 %

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        將GX150CrNiMoCuN41-6-2不銹鋼奧氏體化處理(1 150 ℃固溶保溫2 h)后進(jìn)行不同溫度時(shí)效處理[2-5],探索不同時(shí)效溫度及保溫時(shí)間下試樣的硬度及微觀組織,從而找到滿足設(shè)計(jì)要求(硬度≥45 HRC)且具有一定韌性的時(shí)效工藝。

        對固溶空冷試樣進(jìn)行不同的工藝時(shí)效處理,如表2所示。

        表2 GX150CrNiMoCuN41-6-2時(shí)效處理工藝

        續(xù)表2 GX150CrNiMoCuN41-6-2時(shí)效處理工藝

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 硬度

        由圖1(a)可以看出,時(shí)效2 h與時(shí)效3 h試樣硬度均隨時(shí)效溫度的變化趨勢相同。隨著時(shí)效溫度的升高,試樣的硬度先降低后升高,最后相對平穩(wěn)。600 ℃時(shí)效試樣的硬度略低于550 ℃時(shí)效試樣的硬度。由于奧氏體中碳化物析出量很少,而外部存在的碳化物粗化的結(jié)果。隨著時(shí)效溫度的增加,650 ℃時(shí)效試樣的硬度遠(yuǎn)高于600 ℃時(shí)效試樣的硬度,由41 HRC增大到53 HRC。由于奧氏體中碳化物大量析出且相對彌散分布,導(dǎo)致硬度大幅度提高。650~750 ℃試樣的硬度增加不大,表明試樣已經(jīng)完全時(shí)效,奧氏體中碳化物已全部析出。

        由圖1(b)中不同溫度下硬度數(shù)據(jù)可以看出,在610~630 ℃區(qū)間,隨著時(shí)效溫度的升高試樣硬度變化不大。當(dāng)時(shí)效溫度為640 ℃時(shí),硬度為42.6 HRC,有小幅提高,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到圖1所示的增幅(650 ℃時(shí)硬度為53.3 HRC)。在610~640 ℃時(shí)效處理的樣品,其硬度均無法滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖1 不同時(shí)效工藝條件下試樣硬度

        綜合圖1結(jié)果做如下推測:由于該材料時(shí)效溫度區(qū)間較窄,時(shí)效析出較快,主要在650 ℃左右。因此在610~640 ℃即使時(shí)效保溫2 h,試樣的硬度也沒有較大幅度的提高。

        由以上推測進(jìn)行時(shí)效工藝調(diào)整,對GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼鑄件進(jìn)行1 150 ℃固溶保溫2h后分別在650 ℃、660 ℃時(shí)效保溫1 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        表3 不同時(shí)效工藝試樣硬度值

        由表3探索數(shù)據(jù)可以看出,650 ℃時(shí)效1 h試樣硬度比640 ℃時(shí)效2 h(圖1(b))還高,650 ℃時(shí)效2 h與650 ℃時(shí)效1 h時(shí)材料硬度對比,可見650 ℃為碳化物大量析出的開始溫度。660 ℃時(shí)效1 h試樣硬度與650 ℃時(shí)效1 h試樣硬度相同,表明時(shí)效溫度提高10 ℃對碳化物析出速度影響不大。

        ZJ-5和ZJ-6工藝硬度值與目標(biāo)硬度值(45 HRC)非常相近,由此將GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼按照ZJ-5、ZJ-6或更高時(shí)效溫度和更長時(shí)效保溫時(shí)間處理即可得到滿足設(shè)計(jì)要求(≥45 HRC)的樣品。

        2.2 顯微組織

        由于時(shí)效保溫3 h和時(shí)效保溫2 h試樣硬度隨時(shí)效溫度變化相同,其顯微組織結(jié)果相似,下面只對時(shí)效保溫2 h試樣的顯微組織進(jìn)行分析。

        國內(nèi)對GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物雙相不銹鋼鑄件熱處理工藝研究較少,資料匱乏,為建立該材料金相組織與熱處理工藝之間的對應(yīng)關(guān)系,對不同時(shí)效工藝下的樣品進(jìn)行金相組織觀察,如圖2所示。

        (a) 550 ℃時(shí)效保溫2 h

        (b) 600 ℃時(shí)效保溫2 h

        (c) 650 ℃時(shí)效保溫2 h

        (d) 700 ℃時(shí)效保溫2 h

        (e) 750 ℃時(shí)效保溫2 h

        由圖2(a)可以看出,過飽和奧氏體中顆粒狀碳化物析出略微增多,并伴有微裂紋?;野咨R?guī)奧氏體中沒有碳化物析出,在常規(guī)奧氏體和鐵素體內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋。由圖2(b)可以看出,過飽和奧氏體中顆粒狀碳化物析出并沒有顯著增多,但過飽和奧氏體內(nèi)部同樣存在細(xì)碎微裂紋。常規(guī)奧氏體中也析出少量碳化物,在常規(guī)奧氏體和鐵素體內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋。由圖2(c)、(d)可以看出,過飽和奧氏體中碳化物大量析出,已經(jīng)看不見有微裂紋。常規(guī)奧氏體中碳化物也大量析出,由灰白色變?yōu)楹谏?。金相組織中只有鐵素體呈白色。

        由圖2(e)可以看出,奧氏體中碳化物細(xì)小且彌散分布,碳化物分布更加均勻,沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋。由于時(shí)效溫度較高(接近奧氏體轉(zhuǎn)變溫度),奧氏體溶碳量增加,析出的碳化物量較少、細(xì)小彌散,部分不規(guī)則白色鐵素體正逐漸溶解在周圍的奧氏體中。

        總體來看,650 ℃、700 ℃時(shí)效后,碳化物析出量最多,硬度也最高。從圖2(a)、(b)顯微組織中可以看出,過飽和奧氏體中存在微裂紋,該組織條件下材料沖擊性能不會(huì)有所提高。

        2.3 沖擊性能

        550 ℃、600 ℃時(shí)效2h后試樣顯微組織有微裂紋,而650 ℃時(shí)效2 h后試樣顯微組織由于碳化物的析出看不見微裂紋。為探索GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼綜合應(yīng)用性能,對ZJ-5工藝條件下試樣進(jìn)行顯微組織觀察和夏比V型室溫沖擊性能檢測,沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        表4 沖擊性能

        由表4結(jié)果看出,該材料硬度為44 HRC時(shí),其沖擊功為3 J,韌性很差。由此,硬度為44 HRC的GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼的韌性并沒有提高。

        3 結(jié)論

        通過對電機(jī)軸瓦材料GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物雙相不銹鋼熱處理工藝及應(yīng)用性能的研究,總結(jié)如下結(jié)論:

        (1) 在固溶溫度為1 150 ℃,空冷后保溫2h的條件下,當(dāng)時(shí)效溫度為650 ℃時(shí),GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼中碳化物開始大量析出,硬度顯著提高。即650 ℃為GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物不銹鋼碳化物大量析出開始溫度點(diǎn)。

        (2) 在固溶溫度為1 150 ℃,空冷后保溫2 h的條件下,隨著時(shí)效溫度從550 ℃升高到750 ℃時(shí),試樣的硬度呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)時(shí)效溫度為650 ℃,時(shí)效保溫1 h時(shí),獲得硬度為44 HRC,材料夏比V型沖擊功為3 J。

        (3) 1 150 ℃固溶保溫2 h,空冷后650 ℃時(shí)效1 h即為推力軸瓦GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物雙相不銹鋼鑄件固溶時(shí)效處理的臨界工藝參數(shù)。

        初步探索了GX150CrNiMoCuN41-6-2高鉻碳化物雙相不銹鋼時(shí)效處理工藝、顯微組織、力學(xué)性能。雖然找到滿足硬度指標(biāo)(≥45 HRC)的臨界熱處理工藝參數(shù),但如何顯著提高該材料的沖擊性能的時(shí)效處理工藝有待進(jìn)一步的研究。

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