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粉末冶金技術在汽車工業中的典型應用

    封頭不銹耐熱鋼按其鋼材內部組織特征可分奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型四類。耐熱不銹鋼不能進行淬火回火,它的強度只能通過冷作硬化及合金元素強化成沉淀硬化等方法獲得。不銹鋼和耐熱鋼緊固件的熱處理,大都采用企業標準或各單位的專用工藝文件進行加工。

　　由于對熱處理工藝規范、設備、工藝、質量控制及檢驗的有關方面較嚴格,為提高不銹鋼、耐熱鋼緊固件的發展和品質提升, 現進行以下分析。

　　1. 鋼材分析

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼是奧氏體型耐熱不銹鋼,也可稱為高溫合金。該鋼退火狀態下塑性和韌性較好,可以進行冷鐓成形,切削加工性能和熱處理性能良好,可使用到650-700℃,用于耐熱、耐腐蝕的受力的發動機殼體螺栓完全可行,具有高強度、高抗松弛性、低缺口敏感性、一定的持久強度、良好的抗氧化性。

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼可作為耐熱鋼使用,也可以當作高溫合金使用。在GB/T14992-1994中高溫合金牌號為GH2132,相當于美國AISI/ASTMA638標準中為660鋼和日本JIS G4315標準中的SUS660鋼。

　　奧氏體型不銹鋼0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼可作為耐熱鋼使用,這是由于奧氏體的再結晶溫度高,鐵和其它元素的原子在其中的擴散系數小,故其強化穩定性比鐵素體高,  壓力表緩沖管用于工作溫度高于650℃的發動機耐熱緊固件多系奧氏體材料,是以奧氏體型不銹鋼為基礎添加一些熱強性的合金元素而成。它們既可作為耐蝕性使用,也可作為耐熱鋼使用。

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼含有大量的奧氏體穩定化元素,如 鉻 、鎳、鉬、鈦等合金元素。鉻、鎳在奧氏體型耐熱鋼中,能提高其抗氧化性;鉬能提高奧氏體型鋼的熱強性;鈦是比鉻更易與碳結合形成穩定碳化物的元素,鈦含量1.90%可以使大部分的碳存在于鈦的碳化物之中,從而改善鋼的抗晶間腐蝕能力。合金添加中有Al等元素,這種材料經過高溫處理,并進行長時間的時效后,在組織中析出一種彌散的金屬化合物,從而使該材料的抗拉強度提高。

　　工藝設計

　　發動機排氣歧管用六角頭螺栓,規格M8*20、M8*45,要求機械性能>7T級,硬度25HRCmin,抗拉強度Rm>780MPa。為此,我們進行了熱處理工藝探索。熱處理工藝試驗參考國外相關工藝,修正某些參數,獲得符合要求的機械性能。同時,根據工廠的生產現狀,進行一些必要的摸索,  耐磨管道確定我們的生產方式與可行的熱處理工藝。  

　　2.1 生產工藝流程

　　備料—固溶—冷鐓—再結晶退火—去應力回火—切六角頭—搓絲—清洗—穩定化處理—時效—著色上蠟。

　　冷鐓用耐熱0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼絲牌號化學成分符合GB/T1221或GB/T14992標準,固溶狀態交貨,室溫硬度≥200HRW。為了達到M8螺栓絲坯尺寸φ7.02-φ7.05必須經過材料高溫拉拔,這時材料硬度可達到38HRc以上,不能進行冷鐓成型,應進行固溶處理,以達到軟化的目的。

　　固溶

　　成品絲固溶溫度采用990±10℃保溫1.5h,然后水冷。固溶處理,就是將剛加熱至高溫,使碳化物得到充分溶解,然后迅速冷卻,得到單一奧氏體組織。經固溶處理后,硬度最低、塑性韌度良好,硬度在17-20HRc,這時加工成型性能最好。

　　固溶處理采用井式滲碳加熱爐RQ3-90-9D設備。通常耐熱鋼熱處理保護氣氛主要是氬氣,但氬氣難以購買。一般可用放熱式氣氛或氮基氣氛,我們采用甲醇20-40d/min和氨氣0.15L/h、或氮氣0.30L/h保護,滴控式裝置控制。(以下再結晶退火830-850℃加熱;穩定化處理830-850℃加熱

,工序操作同)。

　　該鋼材固溶處理加熱時多采用預熱或分段加熱,由于螺栓絲坯直徑較小,加上形狀簡單,可在爐溫到達工藝溫度≤100℃(約900℃加熱)時入爐。

　　由于井式滲碳加熱爐分上、下區控溫,當爐內所有熱電偶指示溫度都達到工藝溫度(990℃)時,開始計算保溫時間90min。

　　再結晶退火

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼制M8*20、M8*45六角頭螺栓是采用二模二沖(雙擊整模)冷鐓機生產,冷鐓成型后冷作硬化傾向比較大,  可調縮孔必須進行再結晶退火,溫度830-850℃、保溫2-3h,使用設備RQ3-90-9D,采用甲醇20-40d/min和氨氣0.15L/h、或氮氣0.30L/h保護。在該溫度下加

熱時碳化物沿晶界及滑形線析出,硬度下降。后續再去應力回火700-710℃,保溫2-3h,硬度在18-23HRc。雖然比冷鐓后硬度只是略有下降,但由于奧氏體晶粒進行再結晶退火后,在沖床切

　　六角頭邊時容易斷屑,抗變形能力下降,Cr12MoV鋼切邊模使用壽命可達2萬件以上。

　　最后的熱處理工藝

　　六角頭螺栓經搓絲完工,要經過清洗用堿性溶液洗凈磷化膜,便于在熱處理后著色(近似發黑顏色)。

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼合金元素鉻、鎳含量相對較低,故抗氧化的溫度僅在800℃以下,但是含彌散強化相形成元素(V、Al、Ti)量相對較高,在固溶體基體上可形成化合物強化相,罩型通氣管所以常用熱處理形式為固溶處理+時效。通過固溶處理,可以使合金固溶強化;通過時效處理,可以使合金析出細小強化相〔VC、Ni3Al、Ni3Ti,Ni3(Al﹒Ti)〕碳化物,從而提高室溫和高溫強度。

　　在固溶處理后螺栓經過前幾道工序加工,為了獲得一定數量的碳化物使鋼強化必須進行調整處理,我們采用830-850℃穩定化處理工藝,在此溫度范圍內,Cr23C6碳化物將溶解,保溫5h水冷或采用噴水冷卻,以快速通過析出碳化物的溫度區間,而TiC、VC碳化物仍然穩定,由此提高螺栓的抗晶界腐蝕能力。

　　不論經過何種調整處理后,螺栓還需進行時效處理,它是使鋼強化的途徑,由固溶體中析出彌散碳化物質點而使鋼硬度提高。時效溫度選擇690-710℃,保溫12-16h空冷。

　　0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼固溶并時效處理后的顯微組織為奧氏體+彌散化合物,化合物量約為2.5%。

　　上述工藝試驗的結果表明時效處理的溫度和保溫時間對最終力學性能的影響甚小,時效處理溫度確定為700℃*12h。0Cr15Ni25Ti2MoAlVB鋼在熱處理過程中, 籃式過濾器對溫度的要求相對敏感,特別是固溶處理溫度控制在±5℃,盡量偏下范圍。原材料拉拔后,晶粒粗大對成品螺栓外徑略有影響,在最后時效后,會造成外徑尺寸偏小。因此,原材料晶粒度不得粗于4級。