ABSTRACT

In this paper, in order to improve the bulging performance of 441 stainless steel tube and avoid the cold tube bulging cracking, the effect of annealing process parameters on hardness, elongation and strength of 441 stainless steel cold bending pipe have been studied. The best annealing process of 441 stainless steel cold bending pipe have been obtained. Lower or higher than 850℃, hardness of materials are increases, elongation and strength are reduced. Insulation time can only reduce the hardness and do not have any effect on elongation and strength. Slow cooling (air cooling) after annealing results in more second phase precipitation, which decrease the elongation compared to water cooling.

Keywords:Heat Treatment, Mechanical Performance, Microstructure

热处理工艺对441不锈钢力学性能的影响

陈学才，余党会

甘肃东兴铝业有限公司，甘肃 嘉峪关

收稿日期：2017年5月22日；录用日期：2017年6月24日；发布日期：2017年6月27日

摘 要

为了改善441不锈钢管冷弯部位的胀形性能，避免冷弯管的胀形开裂。本文研究441不锈钢冷弯管的退火工艺参数对硬度、伸长率和强度的影响，获得了441不锈钢冷弯管的最佳退火工艺。低于或高于850℃退火，材料的硬度都升高，伸长率和强度都降低；保温时间的延长只能降低硬度，对伸长率和强度没有帮助。退火后慢冷(空冷)导致更多的第二相析出，与水冷相比伸长率较低。

关键词 :热处理，力学性能，显微组织

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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90^º，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

表1. 441不锈钢的化学成分

图1. 硬度随着退火温度变化的曲线(保温180 min，水冷)

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

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 ℃

图4. 硬度随着保温时间变化的曲线(退火温度 850 ℃ ，水冷)

图5. 不同保温时间下的应力应变曲线(保温180 min，水冷)

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。

文章引用

陈学才,余党会. 热处理工艺对441不锈钢力学性能的影响
Effect of Heat Treatment Process on Mechanical Properties of 441 Stainless Steel[J]. 冶金工程, 2017, 04(02): 110-115. http://dx.doi.org/10.12677/MEng.2017.42016

参考文献 (References)