回火温度对1Cr11Ni2W2MoV钢冲击性能的影响

孙 奇, 张立新, 韦廷立, 张 颖, 于 湃, 刘天钊, 张 闯(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 技术中心理化所, 沈阳 110043)

回火温度对1Cr11Ni2W2MoV钢冲击性能的影响

孙 奇, 张立新, 韦廷立, 张 颖, 于 湃, 刘天钊, 张 闯
(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 技术中心理化所, 沈阳 110043)

在某厂日常检测中，有多炉批次1Cr11Ni2W2MoV钢棒材出现冲击韧度不合格的现象。为了找到不合格的原因，从化学成分、热处理制度方面来展开分析，并进行了比对试验。结果表明：热处理回火温度是影响1Cr11Ni2W2MoV钢冲击韧度的主要因素；回火温度选择在540～590 ℃的1Cr11Ni2W2MoV钢试样冲击韧度全部合格，回火温度选择在660～710 ℃的试样冲击韧度部分不合格。选择回火温度为540～590 ℃，可提高材料的合格率，确保生产进度。

1Cr11Ni2W2MoV钢；冲击韧度；回火温度

1Cr11Ni2W2MoV钢是马氏体型热强不锈钢，其室温拉伸强度、持久强度极限及蠕变极限均较高，并有良好的韧性和抗氧化性;同时该钢的工艺塑性和焊接性能良好，可以制造形状复杂的模锻件和焊接结构件，适用于550 ℃以下及高湿条件下工作的承力件，通常用作飞机发动机的拉杆、螺栓、密封环、衬筒、销轴等。显微组织是钢材力学性能的决定因素，钢材的力学性能与其组织状态有着强烈的依存关系。因此探讨热处理制度对显微组织的影响，掌握材料冲击性能的影响机制，对提高钢材的冲击性能，进而提高钢材使用的安全性具有至关重要的作用。

某钢厂生产的1Cr11Ni2W2MoV钢在进行热处理时，严格按照GJB 2294-1995[1]中的Ⅰ组热处理制度执行，但在该材料进行入厂原材料复验时，多批次棒材出现冲击性能不合格的问题。笔者从1Cr11Ni2W2MoV钢的化学成分、热处理制度方面展开原因排查，进行了比对分析，以寻求1Cr11Ni2W2MoV钢冲击性能不达标的主要原因。

1 试样制备与方法

1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的化学成分如表1所示，可见其各元素的含量均满足GJB 2294-1995的要求。

表1 1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars (mass fraction) %

1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的力学性能应符合GJB 2294-1995的要求，标准中规定了两组热处理制度，即Ⅰ组和Ⅱ组热处理制度：Ⅰ组采用1 000～1 020 ℃淬火，油冷，660～710 ℃回火后空冷；Ⅱ组采用1 000～1 020 ℃淬火，油冷，540～590 ℃回火后空冷。不同热处理制度对应的力学性能要求见表2，室温拉伸试验按照GB/T 228.1-2010执行[3]。

表2 1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的室温力学性能要求Tab.2 Requirements of mechanical properties of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

采用上述I组热处理制度对1Cr11Ni2W2MoV钢棒材进行热处理，各炉批次钢采用的具体回火温度见表3。热处理后，按照GB/T 229-2007[2]进行冲击试验。

采用ZBC230-C型摆锤式冲击试验机测试1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击吸收能量，冲击试验用试样为夏比U型缺口试样[2]，如图1所示。

图1 夏比U型缺口冲击试样示意图Fig.1 Schematic diagram of Charpy impact specimens with U type notch

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

各炉批次1Cr11Ni2W2MoV钢采用I组热处理制度热处理后的冲击性能如表3所示，可以看出，I组17炉批次1Cr11Ni2W2MoV钢棒材中有13炉批次的冲击吸收能量不合格，不合格率达到76.5%，而合格炉批次的冲击吸收能量富裕度也并不大。

为了确定热处理制度对材料冲击韧度的影响，对5炉批次的钢重新取料采用Ⅱ组热处理制度进行热处理，采用不同温度进行回火，然后测试材料的冲击性能，结果如表4所示。可以看出，原来接近冲击吸收能量合格线边缘的1Cr11Ni2W2MoV钢采用Ⅱ组热处理制度热处理后，部分1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击吸收能量提高了3～4倍。对这些1Cr11Ni2W2MoV钢进行力学性能测试，结果显示材料的强度提高，而塑性降低了。可见回火温度直接影响了1Cr11Ni2W2MoV钢的综合性能指标[4]，尤其对冲击韧度的影响最大，可以得知冲击韧度对金属材料显微组织的变化比较敏感[5]。采用Ⅱ组热处理制度后，1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击吸收能量均大于55 J，即选用的5炉批次的试样全部合格。

选取炉批号为2X470(冲击吸收能量43.0 J)，3X77(冲击吸收能量50.0 J)，3A193(冲击吸收能量78.5 J)的冲击试验后的1Cr11Ni2W2MoV钢试样进行金相检验，结果如图2～4所示。可以看出，3炉批次试样的显微组织均为典型的回火索氏体组织，晶粒大小基本一致，组织差别不大。

在此放大倍数下未观察到1Cr11Ni2W2MoV钢的显微组织与冲击韧度之间的关系，今后需要进行进一步的分析工作，可采用高倍数的场发射技术对试样断口进行组织观察，探讨组织中的强化相与冲击韧度之间的联系，找出其相应的规律。

2.2 讨论

Ⅰ组热处理试样组织的晶粒度为7～8级，碳化物分散均匀，钢中夹杂物含量在控制范围内，均符合技术标准的要求，但冲击韧度偏低；Ⅱ组热处理试样的冲击韧度明显提高。经分析，1Cr11Ni2W2MoV钢要预先进行正火处理，再进行淬火及回火处理。从冲击试验结果分析，淬火温度对冲击韧度的影响并不大，而回火温度对其有显著的影响作用。从中国航空材料手册[6]有关1Cr11Ni2W2MoV钢技术资料的报道可以看出，回火温度对1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击性能有决定性的影响。早在1965年，在1Cr11Ni2W2MoV钢国产化时有钢厂及科研院所进行了专项分析研究找出了回火温度对其冲击韧度的影响规律，并在1988年绘制了1 000～1 020 ℃淬火+不同温度回火对冲击韧度影响的曲线，如图5所示。

表3 I组1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的室温冲击性能Tab.3 Impact property of group I of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

表4 Ⅱ组1Cr11Ni2W2MoV钢棒材的室温冲击性能Tab.4 Impact property of groupⅡ of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars at room temperature

图2 2X470炉批号冲击试样的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 2X470

图3 3X77炉批号冲击试样的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 3X77

图4 3A193炉批号冲击试样的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the impact specimen of batch 3A193

图5中的曲线1由北京航空材料研究所绘制，曲线2由新都机械厂绘制，曲线3由抚顺钢铁厂绘制。直线段表示技术标准中规定的冲击吸收能量标准下限(71 J)换算的冲击韧度下限(887.5 kJ·m-2)，冲击韧度在直线段以上的数据为合格，在直线段以下的为不合格。由图5可见，随着回火温度的改变，1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击韧度波动较大，回火温度在430～520 ℃时，3条曲线均在标准下限直线段之下，冲击韧度不能满足标准要求；回火温度在550～580 ℃时，3条曲线均在标准下限直线段之上，冲击韧度合格；回火温度在590～690 ℃时，3条曲线均处于波谷，冲击韧度有不合格的可能，其中北京航空材料研究院绘制的曲线就在标准下限直线段之下；若回火温度在690 ℃以上，3条曲线均在标准值曲线之上，冲击韧度则合格。

图5 回火温度对1Cr11Ni2W2MoV钢冲击韧度的影响曲线Fig.5 Impact toughness curves of 1Cr11Ni2W2MoV steel influenced by tempering temperature

3 结论及建议

(1) 1Cr11Ni2W2MoV钢的冲击韧度与回火温度没有线性关系。其冲击韧度随着回火温度的增加呈大幅波动趋势。采用Ⅰ组回火温度660～710 ℃进行回火处理，在此温度范围内部分钢材的冲击韧度达不到技术标准≥71 J的要求，从而出现不合格现象。

(2) 在保证材料安全使用的前提下，采用Ⅱ组回火温度540～590 ℃进行回火处理，冲击韧度均能够达到技术标准≥55 J的要求，材料全部合格。

(3) 1Cr11Ni2W2MoV钢冲击韧度是否合格是依据相关国家技术标准中关于冲击韧度的指标来判定的。但复验时技术协议中选择热处理制度的合理性值得商榷，需要积累更多的试验数据来进行判别和修订。

[1] GJB 2294-1995 航空用不锈钢及耐热钢规范[S].

[2] GB/T 229-2007 金属夏比摆锤冲击试验方法[S].

[3] GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].

[4] 徐杏杏，何军刚，胡锴，等.1Cr11Ni2W2MoV不锈钢冲击性能不合格原因探讨[J].理化检验-物理分册，2014,50(8):596-598.

[5] 刘海斌.金属材料冲击韧性的分析[J].经济技术协作信息,2016(4):89-89.

[6] 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册结构钢不锈钢[M].北京:中国标准出版社,1988.

Effect of Tempering Temperature on Impact Toughness of 1Cr11Ni2W2MoV Steel

SUN Qi, ZHANG Li-xin, WEI Ting-li, ZHANG Ying, YU Pai, LIU Tian-zhao, ZHANG Chuang
(Technology Center Physicochemical Research Institute, China Aviation Shenyang Liming Aviation Engine Co., Ltd., Shenyang 110043, China)

During daily testing in one plant, the impact toughness of multi furnace batches of 1Cr11Ni2W2MoV steel bars was found unqualified. To find the reasons for disqualification, analysis was carried out from the aspects of chemical composition and heat treatment regime, and the comparative tests were done. The results show that: the tempering temperature of heat treatment was the main factor affecting the impact toughness of 1Cr11Ni2W2MoV steel; the impact toughness of the 1Cr11Ni2W2MoV steel specimens was all qualified when the tempering temperature was 540-590 ℃; the impact toughness of some 1Cr11Ni2W2MoV steel specimens was not qualified when the tempering temperature was 660-710 ℃. The qualified rate of the material could be improved and the production schedule could be ensured by selecting tempering temperature as 540-590 ℃.

1Cr11Ni2W2MoV steel; impact toughness; tempering temperature

2016-06-25

孙 奇(1962-)，男，高级工程师，主要从事金属材料力学性能检测、飞机发动机故障件分析、试验工装研制等工作，zhangruiying518@163.com.cn。

10.11973/lhjy-wl201703004

TG115.2

A

1001-4012(2017)03-0165-04