四合一机组机壳材质的研究

张竣明，张金山

（1.太原理工大学 材料科学与工程学院，山西太原 030024；2.太原股份有限公司冶铸分公司，山西太原 030024）

图1　机壳模型图

四合一机组在运行过程中，机壳往往要承受冲击挤压、介质腐蚀等综合作用。因此，要求机壳材质应有足够好的耐腐蚀性和高的强度[1～3]。我厂先前试制的ZG0Cr18Ni9为奥氏体不锈钢，在硝酸介质中的耐腐蚀性能良好，但其强度较低，易导致裂纹、出现渗漏等问题，缩短了工件的寿命。因此，进行机壳的成分设计、热处理工艺参数的优化，是保证机壳材料使用性能的关键。

1　试验材料及方法

1.1　试验成分设计

我厂先前试制的ZG0Cr18Ni9，在硝酸介质中的耐腐蚀性能良好，但其强度较低。Cr为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。Cr含量超过12%时，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，因此不锈钢中的Cr含量一般都大于12%。当铬含量太高时，会促使组织在高温冷却过程中生成σ铁素体，降低材料的强度和硬度[4]。因此，控制Cr含量为16ωB%，以期提高材料的强度。

Ni在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。Ni是一种热力学稳定性较强的金属，它在一定程度上可以提高钢基体的热力学稳定性，增强钢基体对原子的束缚力，其表现为增强基体对钝化膜的修复能力，从而降低钢的腐蚀速率[5]。

根据研究表明：Mo可提高奥氏体不锈钢在海水中的耐腐蚀性能。不含Mo的302、304、309钢腐蚀速率快，且部分试样出现穿孔现象。而在添加2%～3%Mo的316和317钢的腐蚀比较轻微。Mo提高不锈钢的耐蚀性，主要是由于钼酸盐是阳极抑制剂，Mo可提高钝化膜的稳定性，从而增强不锈钢的耐腐蚀能力[6]。与此相反，Mo在无水HF中，被迅速地溶解，且作为微电池的阳极时，腐蚀速率更快，因此此反应可用来制备Mo的氟化物[7]。在沸腾的浓度为50%以上的硫酸中，添加Mo不锈钢腐蚀严重[8]。目前，关于含Mo的合金在不同介质中的腐蚀性能机理尚不明确，值得更深入地研究。

因此本试验设定ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5两种试验材料，对两者的金相组织，力学性能和耐腐蚀性能进行比较。表1为ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5的实际化学成分。

表1　 ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5的化学成分　ωB/%

图2　ZG06Cr16Ni5的热处理工艺方案Ⅰ和方案Ⅱ

1.2　熔炼试验

试验采用50kg真空感应熔炼炉进行熔炼，砂型充氩浇铸，浇注完成后使用直读光谱仪测定其化学成分。

1.3　热处理试验

该材料在高温缓冷的条件下，在铁素体晶界上会析出可显著降低力学性能和耐腐蚀性能的含铬碳化物[9]。因此在该材料进行奥氏体化后必须要快速冷却，以免有害相的析出。查阅相关资料[10]并按照相变温度计算经验公式可以得出该材料的AC3温度约为750℃，AC1温度约为550℃。为了保证材料拥有良好的力学性能和腐蚀性能，应使材料在高于AC3温度200℃以上进行奥氏体化，使得材料中的碳充分溶解，合金充分均匀化。材料在高温下形成均匀化的奥氏体基体和铁素体后经过风淬得到均匀细化的马氏体组织、铁素体组织和少量的残余奥氏体组织。此时的组织硬度高、内应力大，应当进行回火来改善组织形态和性能指标。马氏体不锈钢中逆转变奥氏体的存在对材料的韧性、焊接性能影响极大，对于高合金的马氏体不锈钢应当进行高于AC1温度的高温回火使其析出逆转变奥氏体，降低马氏体组织的硬度、提升材料的韧性、促进残余奥氏体分解为马氏体[11]。而通常进行二次回火可使二次生成马氏体转变为回火马氏体，并得到足够多的逆转变奥氏体[12]。因此，材料的奥氏体化温度应当为950～1050℃，回火温度应当为580～650℃。根据处理同类型材料ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢的经验（1020℃奥氏体化，610℃一次回火，580℃二次回火），结合该材料的合金成分，制定了以下两种热处理试验方案：对材质进行1040℃正火+630℃回火 (方案Ⅰ)和1040℃正火+630℃回火+610℃二次回火 (方案Ⅱ)两组对比试验。热处理工艺试验如图2所示。

1.4　耐腐蚀试验

由于该材料用于硝酸介质的工作环境中，按照GB/T4334-2008中的C法对其进行耐腐蚀能力的试验，将ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5在65%硝酸中的耐腐蚀性能结果进行对比分析。

2　试验结果及分析

2.1　金相检测

由图3可知，铸态ZG06Cr16Ni5组织中存在奥氏体、马氏体和先共析的δ铁素体。奥氏体和马氏体组织呈大块分布，δ铁素体穿插于两相之间。

由图4可知，在经过方案Ⅰ处理的试样（见图a），其原先的粗大奥氏体和马氏体转变成呈板条形态平行分布的马氏体，而新析出的大量铁素体组织呈细长带状穿插其中。可以看出马氏体组织的边界相对比较平缓流畅；而经过方案Ⅱ处理的试样（见图b），其马氏体组织呈现岛状，且铁素体带更加粗大，马氏体边界出现更多的圆形褶皱，这是因为在二次回火过程中，部分逆转变奥氏体、残余奥氏体和部分不稳定的马氏体分解成为铁素体和二次马氏体，造成铁素体带的增粗和原马氏体组织的分解、球化。

图3　铸态ZG06Cr16Ni5金相组织

图4　ZG06Cr16Ni5热处理后的组织

图5　ZG06Cr16Ni5Mo热处理后的组织

由图5可知，ZG06Cr16Ni5Mo经过一次回火（见图a）和二次回火（见图b）所得的组织同样为岛状的马氏体和大量的铁素体。但相同观测倍数下，可发现含Mo元素的该材料马氏体组织和铁素体组织明显比不含Mo材料细小，这说明Mo元素起到了细化晶粒的作用。

2.2　力学性能

铸态合金经热处理后，其力学性能试验结果详见表2。先前试制的ZG0Cr18Ni9的延伸率和冲击韧性非常好，但其屈服值很低（仅200MPa），在高强度工作环境下极易发生变形，进而发生事故，故其力学性能不满足用户要求。

ZG06Cr16Ni5Mo经1040℃正火+630℃回火后合金的力学性能最优。这是由于Mo元素为中强碳化物的形成元素，其形成的碳化物在热处理的过程中，析出在铁素体的组织中，起到了沉淀强化的作用，因此ZG06Cr16Ni5Mo的强度高于ZG06Cr16Ni5。

且经过数据对比可知，两种合金在经一次回火后的力学性能均高于二次回火，其原因为：合金在经过二次回火后，产生了较多的逆转变奥氏体，且组织中的铁素体带变得更加粗大。由于铁素体的增多和马氏体组织的内应力消除，造成了材料力学性能上的强度降低、韧性升高。

表2　 ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5的力学性能

表3　ZG06Cr16Ni5和ZG06Cr16Ni5M o的腐蚀结果

2.3　耐腐蚀性能

表3为合金试样的腐蚀性能试验结果。由表可知，两种试样经 1040℃正火 +630℃回火+610℃回火后，ZG06Cr16Ni5Mo的腐蚀速率为1.133g/m2×h，是ZG06Cr16Ni5腐蚀速率的两倍。两种试样热处理方案Ⅰ的腐蚀速率结果均优于方案Ⅱ，其原理为Cr元素在不同区域内的富集和贫瘠有关。Cr为形成抵抗腐蚀的钝化膜Cr2O3钝化膜的重要元素[10]，而经二次回火后，逆转变奥氏体和二次生成的铁素体含量上升，而铁素体生成的同时，导致了马氏体组织中Cr含量降低，生成抵抗腐蚀钝化膜Cr2O3的减少，进而导致耐硝酸腐蚀能力的降低。而在ZG06Cr16Ni5Mo中Mo元素在二次回火的过程中产生了更多的碳化物分布在组织当中，在硝酸介质中这些碳化物优先腐蚀形成孔洞，点腐蚀倾向加剧，进一步破坏钝化膜造成腐蚀速率增大。

由表可知，ZG06Cr16Ni5经1040℃正火+630℃回火后的腐蚀速率(0.521g/m2×h)最小，腐蚀性能最优。且在力学性能方面，ZG06Cr16Ni5和 ZG06Cr16Ni5Mo在经 1040℃正火+630℃回火后，合金的力学性能相差不大（仅为2%），经过对工件实际使用环境和本试验的各方面试验数据的评估，该腐蚀速率和力学性能能够满足要求，因此选择综合性能最优的ZG06Cr16Ni5经1040℃正火+630℃回火材质用于高强度工作条件的硝酸环境中。

3　结论

（1）ZG06Cr16Ni5 和 ZG06Cr16Ni5Mo在经1040℃正火+630℃回火热处理后的组织为马氏体+铁素体+少量奥氏体。且随回火次数的增加，带状铁素体的含量增加，马氏体形态呈现岛状化趋势。

（2）ZG06Cr16Ni5在经1040℃正火 +630℃回火后，屈服强度为594MPa，抗拉强度为801MPa，延伸率为18%，收缩率为64%，满足了用户对机壳材质的强度要求，而ZG06Cr16Ni5Mo和ZG06Cr16Ni5在相同的热处理工艺条件下力学性能值相差不大。

（3）ZG06Cr16Ni5在经 1040℃正火+630℃ 回火热处理后，其耐腐蚀性能提高，在65%硝酸中平均腐蚀速率为0.521g/m2×h，可应用于需在高强度工作条件、硝酸腐蚀环境的工件。

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