真空時效加熱到溫時間滯后現象對FV520B鋼組織及性能的影響

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

(1. 沈陽鼓風機集團股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869；2. 沈陽大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110044)

FV520B鋼具有優良的焊接性能、沖擊強度和耐蝕性能，主要應用于鼓風機、壓縮機的齒輪、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，壓縮機關鍵工件葉輪通常采用真空爐進行熱處理。真空熱處理以輻射加熱為主，其特點是爐膛內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氣爐的保溫時間作為真空熱處理的保溫時間。目前，對于FV520鋼的研究主要集中于時效溫度對微觀組織和力學性能影響的研究[3-4]，對于真空時效的保溫時間鮮有研究報道。本文通過對試樣進行實時溫度跟蹤，分析了真空時效下不同保溫時間對FV520B鋼組織和性能的影響，為該鋼在實際生產中熱處理工藝參數的制定提供一定的參考。

1 試驗材料及方法

試驗所用的鍛態FV520B鋼試樣的化學成分如表1 所示，試樣尺寸為40 mm×40 mm×200 mm。

表1 FV520B鋼的化學成分(質量分數，%)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)；調整溫度860 ℃，氣體冷卻壓力為3 bar；固溶、調整工序后分別對試樣進行時效處理。時效溫度為600 ℃，時效保溫時間分別為120、240、360、480、600和720 min。在每次時效時另放入一個破壞試樣，在試樣的表面和心部分別放置熱電偶，用于實時跟蹤溫度，如圖1所示。拉伸試驗使用RSA250拉伸試驗機，依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行；沖擊試驗使用JWB-300型沖擊試驗機，依據GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行，使用Axiovert 200 MAT型光學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 試驗結果

2.1 加熱溫度對加熱到溫時間滯后的影響

真空加熱由于爐內氣體較少，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，所以工件的升溫會存在滯后的現象。影響工件在真空爐中加熱到溫時間滯后的因素有材料、尺寸、形狀和表面光潔度、設定溫度以及裝爐量、擺放方式等。

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

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

表2 試樣到達不同設定溫度的滯后時間(min)Table 2 Lag time of the specimens reaching the different set temperatures (min)

在實際生產中，由于裝爐量和裝爐方式的不同，很難具體判斷保溫時間，只能根據經驗制定保溫時間，這會給產品的質量帶來很大的差異性。根據大量的實際生產發現，可以根據每小時電能消耗的波動來判斷工件是否均溫。真空爐在使用過程中電能轉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不斷吸收熱量，當工件溫度達到設定溫度后，對于熱量的吸收減小，電能消耗逐漸下降，如圖3所示。當工件燒透時，真空爐電能消耗主要包含爐體散熱消耗和維持工件溫度，當工件溫度不再發生變化時，電能的消耗也趨于平緩。

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

2.2 保溫時間對顯微組織的影響

FV520B鋼經過1050 ℃×180 min固溶、850 ℃×240 min調整之后，組織為細小的板條馬氏體+少量殘留奧氏體[5]。600 ℃時效分別保溫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)的組織為時效馬氏體+時效析出相，析出相很細小，圖4(c)的組織為時效馬氏體+少量殘留奧氏體，原板條馬氏體位向特征逐漸消失，隨著時效時間的延長，沉淀相析出且呈現彌散狀態，見圖4(d～f)。

圖4 FV520B鋼600 ℃時效保溫不同時間的顯微組織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

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

圖5 試樣心部時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 保溫時間對力學性能的影響

由圖6可知，600 ℃時效時，隨著保溫時間的延長，屈服強度隨著保溫時間的延長而降低；當時效保溫時間少于460 min時，時效保溫初期，FV520B鋼析出的ε-Cu相與基體共格[6-7]，隨著保溫時間的延長，ε-Cu相脫溶析出、長大，與基體不再保持共格，因而強度逐步下降，而韌性回升；當時效時間介于460 min和580 min之間時，奧氏體含量逐步增加，由于逆轉變奧氏體和析出相的脫溶[8]、長大共同作用使其強度下降劇烈，韌性明顯增加；當時效保溫時間超過580 min時，析出相的脫溶、長大結束，奧氏體的形成減少，強度下降變緩，韌性增加變緩。

圖6 時效試樣不同保溫時間的力學性能(a)屈服強度;(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

真空時效保溫時間對于顯微組織及力學性能影響較大，是由于真空加熱到溫時間滯后造成工件心部溫度未到達保溫溫度，隨著保溫時間的延長，顯微組織不斷轉變，這種影響會隨之減小。所以，真空爐熱處理保溫時間對于產品質量有著重要的影響，真空熱處理保溫時間應該以工件心部實際到溫為起點開始計算，而不是以設備到達設定的加熱溫度的時間為起點，通過觀測設備電流、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、合理的依據。

3 結論

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

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

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