9SiCr钢件真空热处理的组织和性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中航工业成都飞机工业有限责任公司 作者:邓有忠

  9SiCr钢制零件经真空热处理电炉热处理后,分别对其表面质量、变形量、金相组织、冲击韧度、断口形貌和耐磨性能进行了测定。结果表明:9SiCr钢制零件在真空热处理后零件表面无氧化、脱碳现象;零件变形量更小、硬度更高曰;耐磨性能、冲击韧度明显提高。

  真空热处理后随炉试样的回火马氏体更细小、碳化物颗粒分布也更均匀。从断口形貌可看出真空热处理后随炉试样的韧窝更多,零件的冲击韧度明显更好。

  9SiCr钢是国内外应用广泛的一种低合金刃具钢,该钢制零件具有较高的淬透性和淬硬性,并且有较高的回火稳定性。由于刃具钢制零件传统的热处理主要采用盐浴淬火和箱式电阻炉淬火,后来也有采用保护气氛炉淬火处理零件的情况。但是许多文献中指出模具、刃具的各种热处理工艺方法中,真空热处理具有显著的优点,真空热处理具有无加热氧化、不脱碳、变形小、零件表面光亮、炉温均匀性好、自动化程度高等特点,同时真空热处理可以有效地控制加热和冷却速度,与用普通电阻炉热处理相比,零件变形更小。普通电炉淬火、回火往往使零件韧性不足,使得制作的模具、刃具经常出现崩刃、折损等现象,从而造成早期失效,影响模具使用寿命。模具失效分析表明,热处理因素影响最大,约占50%。

  目前,国内外对9SiCr 钢件的真空热处理研究较少。鉴于此,本文对9SiCr钢件分别进行普通电炉热处理和真空炉热处理,从硬度、变形量、耐磨性、冲击韧度、抗拉强度等角度进行比较,对9SiCr 钢件真空热处理工艺进行初步的探索。

1、实验材料及方法

  1.1、试验用料

  本文选用的材料是9SiCr钢,其化学成分见表1。

表1 9SiCr 钢化学成分(质量分数.%)

9SiCr 钢化学成分

  1.2、设备及热处理工艺

  真空热处理采用北京航天神箭生产的双室真空油淬炉,普通电炉热处理采用重庆飞达电炉厂生产的普通箱式电阻炉。

  将准18mm×150mm 的试样分成2 组,一组为真空热处理,另一组为普通电阻炉热处理。具体热处理工艺曲线如图1所示。

真空热处理工艺曲线

图1 真空热处理工艺曲线

  加热前将真空炉加热室真空压强抽到13.3 Pa以下,真空工作压强始终保持在1.33~13.3Pa,淬火时采用先充入氩气后入油的方式进行淬火,通过回充氩气使油面压强控制在5×104 Pa 左右。普通电炉采用零件到温入炉的方式入炉,淬火温度(860±10)℃,保温时间40min,油冷淬火。回火采用带有循环风扇的普通井式电炉,回火温度200℃,保温时间150min,空冷。

2、结果及分析

  2.1、变形量对比

  试样经过热处理后,肯定会存在或多或少的变形。从表2可看出,电炉热处理的变形量为0.116mm,真空热处理的变形量只有0.057mm,明显可以得出真空热处理后试样变形量远小于电炉热处理的结论。主要原因是真空炉本身传热缓慢,这使得零件内外温差小、受热均匀,热应力变形减小。同时由于真空炉淬火过程是自动控制的,减少了外力干扰而产生的变形。电炉的装炉方式为到温入炉,这样就使得零件内外受热不均匀,造成了热应力大,所以变形量就大。

表2 试样变形量(mm)

试样变形量

  2.2、硬度和耐磨性对比

  从表3可以看出,真空热处理后试样的硬度值更高,大约提高2 HRC。从图2 可以看出,普通热处理后试样的磨损量明显大于真空热处理后试样的磨损量,耐磨性能提高了60%左右,说明真空热处理后试样的耐磨性得到了很大幅度的提高。这都是因为在真空状态下加热时,真空炉内残存的气体是H2O、CO、CO2以及油脂等有机物蒸汽,工件表面呈活性状态,零件不容易脱碳,以及真空热处理有脱气、脱脂等作用,使真空热处理后试样表面几乎不存在氧化皮,从而硬度更大,表面更光洁。相反普通电炉加热时,试样表面容易产生氧化、脱碳现象,所以真空热处理后试样的硬度更高,更能提高材料的耐磨性能。

表3 试样硬度值(HRC)

试样硬度值
磨损量示意图

图2 磨损量示意图

  2.3、力学性能对比

  从冲击韧度和拉伸试验对比示意图(图3、4)中可以看出,真空热处理后试样的冲击韧度、抗拉强度更大。这是因为钢件在真空状态下加热,由于真空热处理工艺采用了预热使得零件内外受热更加均匀,以及真空淬火时不产生阻碍冷却的氧化膜,而且零件淬火入油时各表面冷却速度大致相同,以及试样真空淬火后回火的金相组织呈细针状回火马氏体,因而真空淬火后9SiCr 钢的冲击韧度、抗拉强度好于普通热处理。

冲击韧度示意图

图3 冲击韧度示意图

抗拉强度示意图

图4 抗拉强度示意图

  2.4、断口形貌对比

  从图5、6 的断口形貌来看,断口多为韧性断口,韧性断口在高倍显微镜下的形貌由韧窝和撕裂岭组成。可以看出,真空热处理后韧性断口的韧窝多而且密集,说明真空热处理后材料的韧性更好。这是因为真空热处理在真空状态下通过辐射传热的方式加热,加热过程中的热应力和内应力减小,使得淬火后残余内应力小,内部组织、碳化物分布均匀,所以真空热处理后试样断口的韧窝更多,普通热处理试样的强度、韧性不如真空热处理的。

普通淬火后的断口形貌

图5 普通淬火后的断口形貌

真空淬火后的断口形貌

图6 真空淬火后的断口形貌

3、结论

  (1) 9SiCr 钢件真空热处理后,表面没有氧化、脱碳等现象,真空热处理以后材料的表面质量更好,变形明显小于普通电炉热处理。

  (2) 9SiCr 钢件真空热处理后,硬度分布更加均匀而且提高了2 HRC,力学性能更好,变形量降低了50%,耐磨性能提高了60%,抗拉强度提高了15%左右。

  (3) 9SiCr 钢真空热处理后试样所获得的断口形貌更为理想,试样断口的韧窝多于普通电炉热处理后断口的韧窝。

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