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        真空時(shí)效加熱到溫時(shí)間滯后現(xiàn)象對FV520B鋼組織及性能的影響

        2022-07-26 08:41:48王飛宇包翠敏王全振曲德毅蔣申柱馬煜林
        金屬熱處理 2022年7期
        關(guān)鍵詞:電能

        于 晃, 王飛宇, 包翠敏, 王全振, 陳 煒, 曲德毅, 蔣申柱, 馬煜林

        (1. 沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司, 遼寧 沈陽 110869;2. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

        FV520B鋼具有優(yōu)良的焊接性能、沖擊強(qiáng)度和耐蝕性能,主要應(yīng)用于鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的齒輪、葉輪、主軸、軸套、葉片等零部件[1]。真空熱處理具有防氧化、防脫碳、畸變小的特點(diǎn),壓縮機(jī)關(guān)鍵工件葉輪通常采用真空爐進(jìn)行熱處理。真空熱處理以輻射加熱為主,其特點(diǎn)是爐膛內(nèi)升溫速度比工件升溫速度要快[2],不能使用箱式電爐或者燃?xì)鉅t的保溫時(shí)間作為真空熱處理的保溫時(shí)間。目前,對于FV520鋼的研究主要集中于時(shí)效溫度對微觀組織和力學(xué)性能影響的研究[3-4],對于真空時(shí)效的保溫時(shí)間鮮有研究報(bào)道。本文通過對試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度跟蹤,分析了真空時(shí)效下不同保溫時(shí)間對FV520B鋼組織和性能的影響,為該鋼在實(shí)際生產(chǎn)中熱處理工藝參數(shù)的制定提供一定的參考。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        試驗(yàn)所用的鍛態(tài)FV520B鋼試樣的化學(xué)成分如表1 所示,試樣尺寸為40 mm×40 mm×200 mm。

        表1 FV520B鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the FV520B steel (mass fraction,%)

        真空熱處理工藝為固溶溫度1050 ℃,氣體冷卻壓力1.5 bar(1 bar=0.1 MPa,下同);調(diào)整溫度860 ℃,氣體冷卻壓力為3 bar;固溶、調(diào)整工序后分別對試樣進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效溫度為600 ℃,時(shí)效保溫時(shí)間分別為120、240、360、480、600和720 min。在每次時(shí)效時(shí)另放入一個(gè)破壞試樣,在試樣的表面和心部分別放置熱電偶,用于實(shí)時(shí)跟蹤溫度,如圖1所示。拉伸試驗(yàn)使用RSA250拉伸試驗(yàn)機(jī),依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行;沖擊試驗(yàn)使用JWB-300型沖擊試驗(yàn)機(jī),依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行,使用Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

        圖1 熱電偶位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermocouple positions

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 加熱溫度對加熱到溫時(shí)間滯后的影響

        真空加熱由于爐內(nèi)氣體較少,工件與加熱元件之間的傳熱方式主要以輻射傳熱為主,對流傳熱的作用很小,可以忽略不計(jì),所以工件的升溫會(huì)存在滯后的現(xiàn)象。影響工件在真空爐中加熱到溫時(shí)間滯后的因素有材料、尺寸、形狀和表面光潔度、設(shè)定溫度以及裝爐量、擺放方式等。

        保溫時(shí)間以爐溫到達(dá)設(shè)定溫度開始記時(shí)。由圖2可知,當(dāng)爐膛溫度達(dá)到設(shè)定的加熱溫度時(shí),試樣表面和心部均未達(dá)到該溫度。圖2(a)為1050 ℃×300 min固溶工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時(shí)跟蹤曲線,當(dāng)保溫開始時(shí),試樣表面溫度為1033 ℃,心部溫度為984 ℃;保溫80 min后,試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度1050 ℃,這時(shí)心部溫度為1044 ℃;保溫140 min后,心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度1050 ℃。因此表面和心部到溫的滯后時(shí)間分別為80 min和140 min。圖2(b)為850 ℃×300 min調(diào)整工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時(shí)跟蹤曲線,當(dāng)保溫開始時(shí),試樣表面溫度為808 ℃,心部溫度為689 ℃;保溫190 min后,試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度850 ℃,這時(shí)心部溫度為845 ℃;保溫250 min后,心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度850 ℃。圖2(c)為600 ℃×720 min時(shí)效工藝的加熱及保溫過程的溫度實(shí)時(shí)跟蹤曲線,當(dāng)保溫開始時(shí),試樣表面溫度為516 ℃,心部溫度為330 ℃;保溫360 min后,試樣表面達(dá)到設(shè)定溫度600 ℃,這時(shí)心部溫度為574 ℃;保溫460 min后,心部溫度達(dá)到設(shè)定溫度600 ℃。真空熱處理存在零件到溫滯后現(xiàn)象,表2 為不同設(shè)定溫度下試樣表面和心部到溫的滯后時(shí)間,可以看出,隨著設(shè)定的加熱溫度的降低,滯后時(shí)間越長。通過圖2中表面和心部的測量,表明當(dāng)爐膛溫度到達(dá)設(shè)定的加熱溫度后,表面和心部的升溫速度降低。

        圖2 不同溫度實(shí)時(shí)跟蹤曲線Fig.2 Real-time tracking curves for different set temperatures(a) 1050 ℃; (b) 850 ℃; (c) 600 ℃

        表2 試樣到達(dá)不同設(shè)定溫度的滯后時(shí)間(min)Table 2 Lag time of the specimens reaching the different set temperatures (min)

        在實(shí)際生產(chǎn)中,由于裝爐量和裝爐方式的不同,很難具體判斷保溫時(shí)間,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定保溫時(shí)間,這會(huì)給產(chǎn)品的質(zhì)量帶來很大的差異性。根據(jù)大量的實(shí)際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)每小時(shí)電能消耗的波動(dòng)來判斷工件是否均溫。真空爐在使用過程中電能轉(zhuǎn)換成的熱量主要有爐體散熱以及工件吸熱,而爐體散熱消耗的電能幾乎是恒定的,工件在升溫過程中會(huì)不斷吸收熱量,當(dāng)工件溫度達(dá)到設(shè)定溫度后,對于熱量的吸收減小,電能消耗逐漸下降,如圖3所示。當(dāng)工件燒透時(shí),真空爐電能消耗主要包含爐體散熱消耗和維持工件溫度,當(dāng)工件溫度不再發(fā)生變化時(shí),電能的消耗也趨于平緩。

        圖3 真空爐時(shí)效保溫階段每小時(shí)消耗電能Fig.3 Power consumption perhour of vacuum furnace during the aging and holding stage

        2.2 保溫時(shí)間對顯微組織的影響

        FV520B鋼經(jīng)過1050 ℃×180 min固溶、850 ℃×240 min調(diào)整之后,組織為細(xì)小的板條馬氏體+少量殘留奧氏體[5]。600 ℃時(shí)效分別保溫120、240、360、480、600和720 min后的顯微組織如圖4所示,取樣位置如圖1所示。圖4(a,b)的組織為時(shí)效馬氏體+時(shí)效析出相,析出相很細(xì)小,圖4(c)的組織為時(shí)效馬氏體+少量殘留奧氏體,原板條馬氏體位向特征逐漸消失,隨著時(shí)效時(shí)間的延長,沉淀相析出且呈現(xiàn)彌散狀態(tài),見圖4(d~f)。

        圖4 FV520B鋼600 ℃時(shí)效保溫不同時(shí)間的顯微組織Fig.4 Microstructure of the FV520B steel aged at 600 ℃ for different holding time(a) 120 min; (b) 240 min; (c) 360 min; (d) 480 min; (e) 600 min; (f) 720 min

        根據(jù)破壞試樣的溫度實(shí)時(shí)跟蹤(如圖5所示),保溫120 min時(shí),試樣的心部溫度只有489 ℃;保溫240 min時(shí),試樣的心部溫度為533 ℃;保溫360 min時(shí),試樣的心部溫度為574 ℃;保溫480 、600、720 min時(shí)心部溫度均達(dá)到了600 ℃。

        圖5 試樣心部時(shí)效過程中的溫度跟蹤曲線Fig.5 Temperature tracking curve in the core of the specimen during aging

        2.3 保溫時(shí)間對力學(xué)性能的影響

        由圖6可知,600 ℃時(shí)效時(shí),隨著保溫時(shí)間的延長,屈服強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長而降低;當(dāng)時(shí)效保溫時(shí)間少于460 min時(shí),時(shí)效保溫初期,F(xiàn)V520B鋼析出的ε-Cu相與基體共格[6-7],隨著保溫時(shí)間的延長,ε-Cu相脫溶析出、長大,與基體不再保持共格,因而強(qiáng)度逐步下降,而韌性回升;當(dāng)時(shí)效時(shí)間介于460 min和580 min之間時(shí),奧氏體含量逐步增加,由于逆轉(zhuǎn)變奧氏體和析出相的脫溶[8]、長大共同作用使其強(qiáng)度下降劇烈,韌性明顯增加;當(dāng)時(shí)效保溫時(shí)間超過580 min時(shí),析出相的脫溶、長大結(jié)束,奧氏體的形成減少,強(qiáng)度下降變緩,韌性增加變緩。

        圖6 時(shí)效試樣不同保溫時(shí)間的力學(xué)性能(a)屈服強(qiáng)度;(b)沖擊吸收能量Fig.6 Mechanical properties of the specimens aged for different holding time(a) yield strength; (b) impact absorbed energy

        真空時(shí)效保溫時(shí)間對于顯微組織及力學(xué)性能影響較大,是由于真空加熱到溫時(shí)間滯后造成工件心部溫度未到達(dá)保溫溫度,隨著保溫時(shí)間的延長,顯微組織不斷轉(zhuǎn)變,這種影響會(huì)隨之減小。所以,真空爐熱處理保溫時(shí)間對于產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響,真空熱處理保溫時(shí)間應(yīng)該以工件心部實(shí)際到溫為起點(diǎn)開始計(jì)算,而不是以設(shè)備到達(dá)設(shè)定的加熱溫度的時(shí)間為起點(diǎn),通過觀測設(shè)備電流、功率及電能消耗的變化情況,可以判斷工件是否均溫,為真空熱處理的工藝制定提供科學(xué)、合理的依據(jù)。

        3 結(jié)論

        1) 真空熱處理存在加熱到溫時(shí)間滯后現(xiàn)象,且加熱溫度越低,滯后時(shí)間越長;加熱初期升溫速度較快,工件溫度越接近設(shè)定的加熱溫度,升溫速度越慢。

        2) 工件是否燒透,可以根據(jù)真空爐電能的波動(dòng)判斷,當(dāng)工件處在升溫階段時(shí),電能消耗較大;當(dāng)工件處在均溫階段時(shí),電能消耗逐漸下降;當(dāng)工件燒透時(shí),真空爐電能趨于平緩。

        3) FV520B鋼在真空時(shí)效保溫初期,由于升溫時(shí)間滯后的原因,心部溫度尚未達(dá)到保溫溫度,隨著保溫時(shí)間的延長,屈服強(qiáng)度降低,沖擊吸收能量增加。

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