X4CrNiMo16-5-1新材料熱處理工藝研究

潘良高

（海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，南京 210003）

X4CrNiMo16-5-1新材料熱處理工藝研究

潘良高

（海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，南京 210003）

通過對 X4CrNiMo16-5-1材料進行熱處理工藝試驗，獲得了該材料最佳調質工藝方法為：990℃淬火，油冷，590℃回火，油冷，其組織為回火索氏體＋鐵素體，力學性能滿足設計QT900要求。

熱處理；馬氏體＋鐵素體；機械性能；組織

0 前言

某型產品中使用的新材料 X4CrNiMo16-5-1又稱S165M，該材質具有優良的綜合機械性能和一定的耐腐蝕性能，主要用于海洋工程產品上。目前設計圖紙中該材質技術要求達到QT900，經查閱國內外標準及相關的技術要求，X4CrNiMo16-5-1為國外牌號，國內還沒有可以代替的類似材料，也沒有公開發表的熱處理工藝。熱處理技術要求高，難度大，且該材料從未進行過試驗、生產，也沒有相適宜的熱處理工藝方法，屬新材料，因此需要進行熱處理工藝研究，找出最佳的熱處理工藝方法和工藝參數，達到設計要求的力學性能及加工需求，以滿足該材質產品零件的熱處理要求。

1 技術要求

1）結合現有生產試驗條件，選擇直徑為φ50mm圓鋼為試驗材料，原始態為退火狀態。

2）按EN10088-3:2005(E)標準，φ50mm直徑圓鋼QT900 對應標準要求為：(縱向)900Mp≤Rm≤1100Mp，Rp0.2≥700Mp，A≥16%，AKV≥ 80J（常溫）。

3）X4CrNiMo16-5-1材料化學成分（質量分數%）如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數%）

2 試驗研究

2.1 試驗設備

高溫熱處理爐一臺，型號為 RT2-120-12。力學性能試驗在 WEW-600型微機屏顯液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸試樣按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》執行，在JB30A型294/147沖擊試驗機上進行沖擊試驗，夏比V型缺口，沖擊試樣執行GB/T229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》，顯微組織觀察在南京晨光集團圖像分析儀QMW550上進行。

2.2 試驗方法

為研究淬火溫度對 X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響，選擇950℃、990℃、1020℃三種淬火溫度，淬火分別保溫90min，淬火方式選用油冷。

為研究回火溫度對 X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響，選用 560℃、590℃、620℃、650℃四種回火溫度分別對上述三種淬火溫度進行回火，回火保溫時間為120min，冷卻方式選用油冷。

3 試驗結果與分析

3.1 淬火溫度對 X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響

X4CrNiMo16-5-1屬低碳合金鋼，經950℃、990℃、1020℃淬火后均獲得板條狀馬氏體組織，且馬氏體組織上有鐵素體，如圖1所示。950℃淬火得到的是板條馬氏體，馬氏體組織上分布著鏈條狀鐵素體，990℃淬火得到的是高密度型的位錯馬氏體，且鐵素體形貌發生了改變，鏈條已被打斷；1020℃淬火時，獲得位錯型馬氏體和鐵素體，且鐵素體聚集長大。從圖1看出，隨淬火溫度的升高，馬氏體板條略微增大。

圖1 X4CrNiMo16-5-1鋼淬火后的顯微組織×400

表2是不同淬火溫度下的拉伸、沖擊性能，可以看出，隨淬火溫度的提高，Rm、Rp0.2變化不明顯，塑性基本不變，沖擊有所提高，這是由于淬火溫度提高，奧氏體中溶入了較多的合金元素，有利于提高韌性。由于鋼成分含有較高的合金元素鉻、鎳，為保證合金碳化物充分溶解和奧氏體內成分的均勻化，淬火溫度應高些，同時淬火溫度過高，奧氏體晶粒有長大的風險。X4CrNiMo16-5-1鋼含較高成分的合金元素Cr、Ni、Mo，能增強淬透性，降低 Ms點，奧氏體穩定，采用空冷也可以獲得馬氏體和高的硬度，為保證更高的淬透性和強韌性，采用油冷卻淬火，選用990℃比較適宜。

表2 X4CrNiMo16-5-1鋼不同淬火溫度下的力學性能

3.2 回火溫度對 X4CrNiMo16-5-1鋼組織和性能的影響

不同回火溫度下 X4CrNiMo16-5-1鋼的力學性能如表3所示，990℃淬火，不同回火溫度下的顯微組織如圖2所示。

表3 X4CrNiMo16-5-1鋼不同回火溫度下的力學性能

在560℃～650℃范圍內回火，隨回火溫度的升高，強度呈下降趨勢，950℃和1020℃淬火態時，延伸率呈下降趨勢，這種變化規律不利于材料的使用性能。990℃淬火態時延伸率呈升高趨勢，斷面收縮率、韌性變化不明顯。990℃淬火，不同回火溫度下的顯微組織如圖2所示。

圖2 X4CrNiMo16-5-1鋼回火后的顯微組織×400

從圖2金相組織上看出，560℃回火時，回火組織基本保持淬火后的馬氏體形態，只是板條馬氏體有細化的特征。590℃～650℃回火，隨回火溫度的升高，較粗淬火形態的馬氏體逐漸消失，形成細小的板條馬氏體形態的索氏體，組織隨回火溫度升高逐漸顯得粗大，且鐵素體呈細小均勻分布，均勻分布的鐵素體存在對提高塑性和韌性是有很大作用的，細小均勻分布的鐵素體還有利于阻止裂紋擴展，由于高密度的位錯強化彌補了因鐵素體引起的強度降低。

綜上所述，990℃淬火、590℃回火后得到最佳的綜合機械性能匹配，屈強比較低、組織為具有細小板條馬氏體形態的索氏體＋鐵素體。

4 結論

1）X4CrNiMo16-5-1不銹鋼950℃～1020℃淬火，得到的組織均為板條馬氏體＋鐵素體，不同溫度淬火處理形成不同尺寸、形狀的板條馬氏體，對拉伸性能影響無明顯，沖擊性能隨淬火溫度升高而增大。

2）990℃淬火后，隨回火溫度的升高，較粗的淬火板條馬氏體逐漸分解成細小的板條馬氏體，強度下降，延伸率提高，韌性變化不明顯，調質后獲得組織為細小的具有板條馬氏體形態的索氏體＋鐵素體。

3）X4CrNiMo16-5-1不銹鋼調質最佳熱處理工藝參數為990℃淬火，油冷，590℃回火，能獲得優良的綜合力學性能匹配，其力學性能滿足QT900設計技術要求。

4）通過試驗，制定了該材料的熱處理調質工藝及參數，已成功應用在某產品零件中。

[1] 聞邦椿. 機械設計手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.

[2] 樊東黎. 熱處理技術數據手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000.

Heat Treatment Research of New Material X4CrNiMo16-5-1

PAN Liang-gao
(Navy Representative Office at Aerospace Electromechanical System in Nanjing District, Nanjing 210003, China)

According to the heat treatment process test of X4cNiMo16-5-1, the best technical method of quenching and tempering is summarized: 990℃ queching, oil cooling, 590℃ tempering, oil cooling. It consists of tempered sorbite and ferrite and its mechanical property meets the design requirement QT900.

heat treatment; tempered sorbite and ferrite; mechanical property; construction

TG156

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.016

潘良高（1965-），男，高級工程師。研究方向：艦船機電設備監造及發展研究。