回火热处理工艺对431不锈钢锻件硬度的影响

蔡杰，郑腾腾，王攀智，杨家典，项春花

贵州航宇科技发展股份有限公司 贵州贵阳 550081

1 序言

431不锈钢（相当于国内1Cr17Ni2钢）具有较高的强度和硬度，对氧化性的酸类（一定温度、浓度的硝酸、大部分的有机酸），以及有机酸水溶液都有良好的耐蚀性，其耐蚀性优于410钢和430钢。431属于马氏体-铁素体不锈钢，其既保留了铁素体钢的耐蚀性，又具备马氏体不锈钢的高强度，具有良好的耐蚀性、较高的强度，以及良好的切削加工性能及冷冲压成形性能，适用于制造在潮湿介质中工作的承力件，是轴、销、螺栓等部件的专用材料[1，2]。

由于431不锈钢仍保留了高铬钢所具有的某些缺陷，如热处理组织稳定性差、元素成分微量波动就会引起钢的组织性能较大的变化等，因此常导致该材料热处理后硬度不能满足标准要求。

2 431不锈钢锻件存在的问题

我公司承制的431 不锈钢锻件，规格为φ2200mm×φ2050×400mm，为大型环锻件，热处理制度通常为：淬火（加热温度960～980℃，保温130～150min，空冷）＋回火（加热温度720～740℃，190～220min，空冷）。经统计该锻件回火前和回火后硬度见表1。

表1 431不锈钢锻件回火前和回火后硬度（HBW）

从表1可看出，在现行热处理制度下，淬火后锻件硬度较高，经回火后硬度有明显的降低趋势，但仍不满足标准要求。通过对现行热处理制度及已制锻件硬度值的统计，可推测造成锻件最终硬度不合格的原因可能为回火处理条件不合适。因此，拟进行工艺试验，通过改变回火处理制度来验证上述推论，同时摸索新的热处理制度，以满足标准规定的硬度要求。

3 试验材料及方法

3.1 试验材料

试验材料为431不锈钢，锻造后从锻件本体上切取试块，尺寸为60mm×15mm×15mm，数量9组，编号1#～9#，每组3个试块。试验材料均来自同一炉批的原材料，其化学成分见表2。

表2 试验431不锈钢化学成分（质量分数）（%）

3.2 试验方法

1）将上述9组试样同炉按标准要求进行相同的淬火处理：（920±10）℃，保温120～126min，油冷。

2）将淬火后的9组试样分别进行不同工艺的回火处理，冷却后对试样表面抛光1.5～2mm，然后在布氏硬度机上检测其硬度，结果见表3。

表3 不同工艺回火处理后试样的硬度值

3.3 试验结果小结

从试验结果可知，在同样的淬火条件下，一次回火（试样1#组、3#组、4#组、6#组、8#组）硬度很难满足要求（≤290HBW）；从试样3#组与4#组试验结果可知，一次回火保温时间对硬度影响不大；从试样1#组、3#组、6#组、8#组试验结果可知，一次回火温度不能太高，若温度升高，则硬度有上升趋势；从试样2#组、5#组、7#组、9#组试验结果可知，两次回火且二次回火温度比一次回火温度低时，硬度下降较为明显，均能达到要求值；从试样5#组、7#组试验结果可知，一次回火温度降低，硬度有下降趋势。

4 试验结果组织机理分析

对于一次回火的 431 不锈钢而言，在热处理状态下其显微组织主要包括马氏体相＋铁素体相＋碳化铬析出相＋残留奥氏体相[3]，随着回火温度的升高，碳化铬析出增加，导致回火温度升高，强度与硬度具有升高趋势。

对于二次回火的431不锈钢而言，在热处理状态下，其显微组织主要为回火索氏体＋少量铁素体＋碳化物M23C6颗粒[4]，由此可推测431不锈钢锻件在经过比一次回火温度低的二次回火处理后，其硬度反而呈下降趋势的原因，主要为二次回火时，新产生的板条马氏体转变为回火索氏体组织，从而使强度、硬度降低。

为验证这一推测，选取经二次回火处理的试样（2#组试样），按ASTM E112—2013《平均晶粒度测定的试验方法标准》的方法经腐蚀后进行高倍组织观察，其组织如图1所示。从图1可看出，其金相组织主要为回火索氏体＋少量铁素体＋M23C6碳化物颗粒，推测得以验证[5，6]。

5 产品热处理结果

从表3可看出，7#组试样硬度降低最为明显。由于产品规格及壁厚大，选用与7#组试样相同的热处理制度，即淬火（990℃）＋一次回火（720℃）＋二次回火（660℃）。产品按以上制度进行热处理后，其硬度检测结果见表4。其晶粒度为6～6.5级（标准要求3级或更细）。产品经新的制度进行淬火＋二次回火处理后，其硬度及奥氏体晶粒度均满足技术条件的要求。

6 结束语

1）431不锈钢锻件在经过淬火后一次回火处理，其组织主要为马氏体相＋铁素体相＋碳化铬析出相＋残留奥氏体相，随着回火温度升高，碳化铬析出增加，其强度硬度有上升趋势。

2）431不锈钢锻件在经过淬火后二次回火处理，其显微组织主要为回火索氏体＋少量铁素体＋M23C6碳化物颗粒。在经过比一次回火温度低的二次回火处理后，原板条马氏体转变为回火索氏体组织，从而使强度、硬度降低。

3）通过试验及机理分析可知，要满足标准要求的硬度值≤290HBW，一次回火温度不能太高或太低，区间为700～740℃最佳，二次回火需比一次回火温度低，区间为660～690℃。