1. 引言
目前,汽车尾气排放已经成为全球气温变暖和空气污染的罪魁祸首之一,为了降低发动机排气的污染程度,需要提高发动机的排气温度大约到900℃。由于直接与发动机出气口接连,发动机排气歧管反复地接触高温气氛,需要具备抗氧化性能、热稳定性、冷加工性能及焊接性能 [1] [2] 。
AISI型号441不锈钢具有高温抗氧化性能好、热膨涨系数小等特点,可制作在高温下工作的零件,能满发动机排气歧管的要求,大量使用于发汽车电机排球系统中。441不锈钢含铬18%左右,是Ti、Nb稳定的铁素体不锈钢,Nb,Ti元素的添加可以提高抗应力腐蚀性能和起到固溶强化作用,但也会导致诸如Nb (C,N)和Ti (C,N)和Fe2Nb等沉积相,这些沉积相会降低441不锈钢的塑性 [3] [4] 。
为了提高441不锈钢的性能,本文将441不锈钢进行退火处理,系统地研究退火工艺对441不锈钢硬度和伸长率的影响,分析退火工艺对显微组织和力学性能的影响,期望最大程度的提高441不锈钢的力学性能,以扩大其使用范围。
2. 实验
实验材料厚度为1.5 mm的441不锈钢管,冷弯90º,表1为441不锈钢管成分表。
441不锈钢属于铁素体不锈钢,根据铁素体不锈钢的特性制定441不锈钢的热处理工艺,铁素体不锈钢在370℃~540℃会产生脆化现象,不锈钢的强度、硬度增加,塑性、韧性明显下降,耐腐蚀性能显著降低,在475℃时性能降低的最为明显,因此为了避免力学性能的恶化,本文中选取的实验温度均高于700℃。
本论文中热处理温度分别为700℃、750℃、800℃、850℃和900℃,保温时间分别为30 min、60 min、120 min、150 min和180 min。热处理后采用扫描电镜观察显微组织变化,采用拉伸试验机进行力学性能测试。
3. 结果与分析
图1所示为保温时间180 min,水冷,不同退火温度下的441不锈钢硬度变化曲线。从图1可知,随着退火温度从700℃升高到900℃,硬度从HRB 88先降低到HRB 69,然后再上升,但都明显低于441不锈钢冷变形的HRB 93硬度值。这个主要是因为在低于850℃的温度退火441不锈钢会析出硬质相,而高于850℃退火则会使得晶粒度增大导致材料硬化。
图2所示为保温时间180 min,水冷,不同退火温度下的441不锈钢应力应变曲线。从图中可以看出,经热处理以后441不锈钢的屈服强度均有所下降,且随热处理温度的升高而逐渐降低,尽管如此,伸长
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Composition of 441 stainless steel
表1. 441不锈钢的化学成分
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x9_hanspub.png)
Figure 1. Change of hardness varies with the annealing temperature (holding time 180 min, water cooling)
图1. 硬度随着退火温度变化的曲线(保温180 min,水冷)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x10_hanspub.png)
Figure 2. Stress-strain curves with the different annealing temperature (holding time 180 min, water cooling)
图2. 不同退火温度下的应力应变曲线(保温180 min,水冷)
率随热处理温度的升高而逐渐升高,当温度为850℃时,伸长率达到最大约为28%。M.P. Sello研究 [5] 认为低于850℃退火441不锈钢析出的叶夫相是导致材料冲击韧性降低的主要原因,因此低于850℃退火441不锈钢伸长率降低,主要原因是叶夫相等第二相的析出。晶粒度随着退火温度的升高逐渐长大,如图3所示,850℃退火的晶粒度大约80 μm,900℃退火晶粒度增大到100 μm左右,高于850℃退火时叶夫相和晶粒长大同时存在,其中晶粒长大已经成为材料脆化的主要原因。
退火温度为850℃,水冷,不同保温时间对硬度的影响如图4所示。从图3可知,退火的保温温度从30分钟延长到180分钟,441不锈钢的硬度从HBR 77降低到HRB 69,这些硬度范围也明显低于未热处理的硬度值。
保温时间180分钟,水冷,不同保温时间下的应力应变曲线如图5所示。从图中可以看出随保温时间从30 min到180 min,伸长率保持在28%左右,变化不大。保温时间从30 min增加到180 min,保温时间对441不锈钢的伸长率影响不大,此外,保温时间从30 min增加到180 min,441不锈钢的强度没有变化。上述结果可知,保温时间对441不锈钢的伸长率和强度没有任何帮助。
图6是不同保温时间的金相组织(850℃退火后水冷),从图6可知,晶粒度随着保温时间的增加逐渐
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x12_hanspub.png)
Figure 3. Microstructure of 441 stainless steel with the different annealing temperature (holding time 180 min, water cooling); (a) 850℃; (b) 900℃
图3. 不同退火温度对金相组织的影响(保温180min,水冷);(a)
850 ℃
;(b)
900 ℃
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x13_hanspub.png)
Figure 4. Change of hardness varies with the holding time (annealing temperature 850℃, water cooling)
图4. 硬度随着保温时间变化的曲线(退火温度
850 ℃
,水冷)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x14_hanspub.png)
Figure 5. Stress-strain curves with the different holding time (holding time 180 min, water cooling)
图5. 不同保温时间下的应力应变曲线(保温180 min,水冷)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x16_hanspub.png)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x15_hanspub.png)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x18_hanspub.png)
![](//html.hanspub.org/file/6-1020131x17_hanspub.png)
Figure 6. Microstructure of 441 stainless steel with the different holding time (annealing temperature 850℃,water cooling): (a) 30 min; (b) 60 min; (c) 150 min; (d) 180 min;
图6. 不同保温时间对金相组织的影响(退火温度850℃,水冷):(a) 30 min;(b) 60 min;(c) 150 min;(d) 180 min
长大,从40 μm长大到80 μm。随着保温时间的增加,晶粒度从40 μm长大到80 μm,材料硬度降低,伸长率基本保持在28%左右及强度基本没有变化,因此,晶粒度从40 μm到80 μm范围内变化只降低了硬度,但并不影响材料的伸长率和强度。
4. 结论
本文采用金相显微镜和拉伸试验机研究退火工艺对441不锈钢组织和力学性能的影响,得到以下结论:
1) 随着退火温度从700℃升高到900℃,硬度先降低再升高,在850℃降到最低;延伸率在
850 ℃
达到最大值;
2) 随着保温时间从30 min增加到180 min,硬度逐渐降低;延伸率保持在28%左右,强度未发生明显变化;
3) 441不锈钢冷弯管的最佳退火工艺为:保温温度850℃,保温3 h后水冷。