趙 亮，胡 冰，王飛宇，孟 越

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520(B)是離心壓縮機(jī)葉輪的主要選材之一，鍛件毛坯粗加工成圓盤狀后進(jìn)行預(yù)備熱處理，目的是盡可能的降低材料的硬度，有利于葉輪葉片的數(shù)控銑制加工。目前主要采用固溶化(1050 ℃)→調(diào)整(750～850 ℃)→時(shí)效(470～640 ℃)的三道預(yù)備熱處理工藝[1]，該方法通過不同溫度的預(yù)備熱處理，可使FV520(B)鋼葉輪鍛件的布氏硬度達(dá)到280 HBW左右，而該材料硬度范圍為255～370 HBW，完全能夠滿足葉輪鍛件的葉輪葉片的數(shù)控銑制加工。但該方法工序間隔周期較長，制造成本也較高，且硬度距最低值還有一定的空間。

本文研究一種工序周期短、生產(chǎn)成本低的三元銑制焊接葉輪用FV520(B)鋼的預(yù)備熱處理工藝，可使材料的硬度達(dá)到最低值。

1 FV520(B)鋼的熱處理制度及機(jī)理

FV520(B)鋼常規(guī)的熱處理工藝路線為固溶化、調(diào)整、時(shí)效處理，具體原理如下：

1)固溶化處理。固溶化處理的目的是使鋼的組織完全奧氏體化，碳化物等析出相完全融入到奧氏體當(dāng)中去，使鋼盡可能的軟化。FV520(B)鋼固溶化通常加熱到950～1100 ℃之間，根據(jù)零件尺寸適當(dāng)?shù)陌才疟貢r(shí)間后，在空氣中冷卻[2]。一般得到的金相組織為馬氏體，同時(shí)會(huì)存在少量的殘余奧氏體。固溶化溫度不能太低，否則會(huì)有碳化物殘留，但同時(shí)固溶化的溫度也不能過高，否則奧氏體組織容易粗化，以致冷卻后得到的馬氏體組織粗大，降低塑性和韌性。

2)調(diào)整處理。調(diào)整處理的目的是利用奧氏體固溶體的實(shí)際化學(xué)成分來控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)。因?yàn)榻?jīng)過固溶化處理后的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在隨后的加熱過程中會(huì)析出碳化物等析出相，導(dǎo)致奧氏體的穩(wěn)定性降低，冷卻時(shí)更容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而調(diào)整處理可以提高沉淀硬化不銹鋼的Ms點(diǎn)。通過選擇合適的調(diào)整處理溫度和保溫時(shí)間，可以控制Ms點(diǎn)達(dá)到室溫以上某一溫度，以便鋼經(jīng)過調(diào)整后冷卻到室溫時(shí)基本獲得全部的馬氏體組織[3]。

3)時(shí)效處理。時(shí)效處理是馬氏體沉淀硬化型不銹鋼的最終熱處理手段，也是決定馬氏體沉淀硬化型不銹鋼最終力學(xué)性能的最有利手段。時(shí)效處理目的是利用時(shí)效作用產(chǎn)生細(xì)小、彌散分布的沉淀相，以便獲得盡可能高的強(qiáng)度和良好的綜合力學(xué)性能[4]。

2 現(xiàn)有熱處理的工藝參數(shù)

固溶化溫度一般為1050 ℃，調(diào)整處理為750～850 ℃，時(shí)效溫度為470～640 ℃。根據(jù)不銹鋼FV520(B)的相變機(jī)理，調(diào)整溫度越高，強(qiáng)度和硬度越高，時(shí)效強(qiáng)度峰值在470～480 ℃，到630～640 ℃強(qiáng)度迅速下降，預(yù)備熱處理工藝參數(shù)如圖1所示。

金相顯微組織如圖2所示，顯微組織主要是板條狀馬氏體，析出物在晶界處聚集，存在一定量的顆粒狀析出物[5]。

馬氏體沉淀硬化不銹鋼FV520(B)熱處理后硬度約280 HBW，但作為預(yù)備熱處理工藝，該方法采用三道處理工序?qū)е轮芷谳^長，制造成本也較高。本文通過大量試驗(yàn)，結(jié)合材料的相變機(jī)理，研究出一種工序少，成本低的預(yù)備熱處理工藝。

圖1 現(xiàn)有熱處理工藝參數(shù)Fig.1 Existing heat treatment process parameter

圖2 固溶、調(diào)整、時(shí)效處理后FV520(B)鋼的金相組織Fig.2 Microstructure of FV520(B) steel after solid solution，adjustment and aging treatment

3 優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)

通過熱膨脹發(fā)進(jìn)行相變點(diǎn)的測量，不銹鋼FV520(B)的Ac1為640 ℃，Ac3為760 ℃[6]，且該材料的鍛造溫度區(qū)間為1150～900 ℃，在鍛造過程中相當(dāng)于進(jìn)行了一次固溶化處理，從節(jié)約成本的角度，采用兩次過時(shí)效的熱處理試驗(yàn)方案，其中第一次過時(shí)效分別采用730、700和670 ℃，油冷；第二次過時(shí)效采用635 ℃，空冷。均采用RTX75-9回火電阻爐，每組試驗(yàn)選取3個(gè)試樣，材料的化學(xué)成分見表1。第二次過時(shí)效后將每件試樣加工成標(biāo)距為30 mm，平行部分直徑為φ6 mm的棒狀拉伸試樣，并在RAS250萬能試驗(yàn)機(jī)上按GB228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，布氏硬度按《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn)，力學(xué)性能結(jié)果見表2所示。

表1 試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 不同溫度過時(shí)效后試樣的力學(xué)性能

從表2的結(jié)果可以看出，第一次過時(shí)效溫度為670 ℃的試樣硬度最低。優(yōu)化后熱處理工藝參數(shù)，如圖3所示。圖4為兩次時(shí)效后的試樣金相顯微組織，從圖中可以看出，試樣顯微組織主要是板條狀馬氏體，晶界處的顆粒狀析出物明顯減少[5]。

圖3 優(yōu)化的熱處理工藝參數(shù)Fig.3 Optimized heat treatment process parameter

圖4 兩次過時(shí)效后的試樣金相組織Fig.4 The microstructure of samples after two overaging treatment

4 兩種工藝參數(shù)的對(duì)比

將兩種熱處理工藝參數(shù)應(yīng)用到葉輪的預(yù)備熱處理中，通過大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比，結(jié)果見表3。優(yōu)化后的工藝采用兩次過時(shí)效處理，可以使晶界處的析出物逐漸減少，位錯(cuò)線不再發(fā)生塞積[7]，故兩次過時(shí)效后強(qiáng)度和硬度均出現(xiàn)下降趨勢[8]，由于材料硬度的降低和工序的減少。因此，與傳統(tǒng)的三道預(yù)備熱處理相比，該二道預(yù)備熱處理工藝技術(shù)可以降低熱處理成本，縮短加工周期等優(yōu)勢。

表3 不同工藝參數(shù)的綜合對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)沉淀硬化不銹鋼FV520(B)，本文通過大量的熱處理工藝試驗(yàn)，在原有固溶化、調(diào)整、過時(shí)效基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論：

1)FV520(B)經(jīng)固溶化+調(diào)整+一次過時(shí)效后得到板條狀馬氏體，但晶界處還有少量的顆粒狀析出物，這是造成材料硬度不能達(dá)到最低的主要原因。

2)采用兩次過時(shí)效處理后，晶界處的顆粒狀析出物明顯減少，從而使材料強(qiáng)度和硬度達(dá)到最低。

3)FV520(B)經(jīng)兩次過時(shí)效處理后材料硬度最低，約為260 HBW，取代了原有固溶化+調(diào)整+一次過時(shí)效的三道工藝，可降低熱處理成本，縮短加工周期。