熱處理對Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板組織性能的影響研究

袁 紅，沈 強

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116016）

隨著工業的發展，相關行業對于材料的需求越來越高，需求擁有著良好的材料性能也需求材料擁有更低的成本價格[1]。為此對于不銹鋼的復合板材料應運而生。金屬復合材料技術可以發揮組元材料各自的優勢，實現各組元材料資源的配置，節約貴重金屬材料，實現單一金屬不能滿足的性能要求，以壓力容器用不銹鋼-鋼復合板為例，基層用一般的碳鋼(Q245R，Q345R等)有很好的機械性能，復層用不銹鋼(304，316L等)有很好的耐腐蝕性能，而制作方法常使用爆炸焊接或者冷軋工藝Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板應用范圍廣泛，傳統的制造工藝習慣用冷軋來對于此不銹鋼復合板進行生產，但是傳統的冷軋工藝較為繁瑣，而且成本較高，早期便有對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板的熱處理研究，但是研究結果并不滿意，經常出現回火馬氏體以及殘余奧氏體的混合組織結構，影響材料性能。而隨著目前熱處理工藝的逐漸成熟，相關的新型技術逐漸開發，對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板組織的熱處理制造的可行性再次受到關注[2]。對于此的研究也開始增加。

1 Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼熱處理方案

Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼雖然強度和硬度高，但是缺乏韌性，難以滿足相應的要求，為了使改該材料滿足相應的要求，因此要對Q245R/0Cr18Ni9進行處理，而采取熱處理的淬火方法可以改善Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的內部組織結構，使其具有更好的力學性能[3]。也可通過熱處理時效反應來達成對于該不銹鋼復合材料的制造。

1.1 分析Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的相變反應

Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼在不同溫度下的淬火時，會發生不同的相變反應，在475oC / 100 h + 500oC / 100h 進行加熱保溫處理時，發現在475oC 時效段中，4h沉淀出準晶相。程序的化學反應成分式如下。

而在550oC 時效中，沉淀則呈現三方R-phase相，而此時Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼所沉淀出的化學反應式則變為

而在475oC 與550oC 兩個溫度時效之間的時候，該不銹鋼的沉淀析出呈現L-phase相，而主要成分為。

在對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的相變反應可以得出，該不銹鋼在不同溫度下存在著的不同產出物，而對于不同的工藝要求下，對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的淬火方法應當進行設計，以讓其得出最佳溫度下使不銹鋼滿足不同的機械要求。

1.2 熱處理工藝制定

對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的淬火溫度的制定，主要是需要參照該不銹鋼的碳化物的固溶情況來制定。有資料顯示在1065oC 完成碳化物固溶只需要3分鐘，而在下僅僅需要1.5分鐘。而在1000oC 下，固溶時間就需要10分鐘左右[4]。單以加工速度來看，溫度越高加工速度越快，但是加工時如果溫度過高，則會引起晶粒過分增大而且容易引起氧化鐵皮增厚。這些問題出現將會使材料的抗壓能力下降，影響材料的性能。所以對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的淬火加工溫度的制定應該妥善。因為Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼，存在馬氏體結構，淬火后容易出現黑色區域組織，這是因為該區域產生了回火馬氏體+殘余奧氏體的混合組織結構[5]。而出現該組織體的原因有兩個方面，在材料的冶煉過程中，材料的預處理不足，導致存在C、Cr、Ni等偏析元素，這些偏析元素會沿著枝晶邊界產生富集[6]。想要避免該問題的發生就要在淬火前對材料組織進行均勻化處理，以免因為偏析元素在淬火中影響淬火效果。而第二個原因是因為淬火后冷處理設備溫度設定不到位，Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的Mf點溫度需要-80oC ，而如果才淬火后冷處理設備溫度高于-70oC 奧氏體組織未能達成轉化，大量的殘奧組織出現，將會使得材料的性能被影響。為避免以上問題的出現，提出淬火工藝方法，工藝方法如下首先在1000oC 下將材料進行45分鐘的水淬，在水淬后，對材料進行-73oC 的空冷，時間為六小時，令不銹鋼的奧氏體組織得到轉化，最后在360oC 下完成空冷，時間為一小時，至此完成Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼的淬火工藝。

2 熱處理對組織性能影響

在熱處理工藝下，覆層不銹鋼的組織形態幾乎沒有發生變化，而且表面的結構均為單一的等軸的多邊形奧氏體晶粒，而且在晶粒內有孿晶，這是因為在加工中，覆層不銹鋼在固溶過程中不發生相變，所以即使是冷卻后晶粒仍然呈現奧氏體組織結構，當熱處理加工進行時固溶溫度的升高至1050oC ，覆層不銹鋼的奧氏體晶粒會隨著溫度的升高急劇長大；也可以發現如果固溶溫度為900oC950oC 階段，奧氏體晶粒內還存在許多軋制條帶，而在這些奧氏體晶粒中晶界處也出現了含鉻的碳化物，不過相比熱軋態的覆層部分的軋制條帶也相對減少，當固溶溫度升高至1050oC時，軋制亮帶基本全部消失，晶界上彌散分布的鉻的碳化物也明顯減少，原因在于高溫將會鉻的碳化物分解掉并且固溶進入了奧氏體晶粒中。也可能在覆層中出現軋制亮帶的現象，這一現象有可能是由于奧氏體組織在大塑性變形中發生了形變，同時觸發馬氏體相變效應的是容易被腐蝕的高密度位錯區，保溫時間為60min 時，覆層不銹鋼近界面處在光學顯微鏡下的金相組織照片。隨著熱處理溫度的升高，近界面處的碳化物析出物越來越少，當溫度達到1100oC、1150oC時，析出物全部固溶到奧氏體晶粒內，且奧氏體晶粒長大明顯，晶粒中分布著大量的孿晶組織。不同淬火溫度下對于組織性能影響如圖1所示。

圖1 淬火溫度硬度影響圖

由圖1可以得知，在淬火溫度由900oC升至1000oC時，材料硬度逐步提升，當溫度升至1050oC時，材料硬度下降。

3 結束語

通過研究Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼在不同溫度下的相變反應，并且依據常見的問題優化并制定淬火工藝，而后通過實驗分析，Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板組織性能在熱處理下的影響，在硬度上本文的時效處理方法更優于傳統的冷軋處理方法，同時也證明了對于Q245R/0Cr18Ni9不銹鋼復合板材料使用熱處理工藝的可行性，希望本研究能對相關行業提供參考。