2023年12月18日发(作者：)
第
43
卷第
3
期2021年5月上海金属SHANGHAI
METALSVol.
43,
No. 3May,
2021
71两种针阀体用钢的连续冷却转变特性对比研究云晓雪「2曹彦文「2陈卓1,闵永安何昌林(1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444；
2.上海大学材料科学与工程学院上海200444)【摘要】新一代高压共轨燃油喷射系统对针阀体用钢的性能提出了更高的要求。对比研
究了两种针阀体用钢18Cr2Ni2和18Cr2Ni2Mo的连续冷却转变特性。通过JMatPro软件模拟计
算两种钢的连续冷却转变(CCT)曲线；利用DIL805A型热膨胀仪，结合金相-硬度法，测定两种
钢的CCT曲线。研究表明：与18Cr2Ni2钢相比，18Cr2Ni2Mo钢的
九3、仏温度分别升高至830、
761
C，铁素体珠光体转变明显推迟，马氏体转变临界冷速从10
C/s降低至3
C/s,淬透性提
高；贝氏体转变临界冷速范围为0.
005〜3
C/s,贝氏体区显著扩大，在连铸及轧制过程中极易
产生贝氏体组织，生产难度加大。【关键词】
针阀体
Mo元素JMatPro软件
热膨胀法
连续冷却转变曲线
中图分类号:TG151.2
；TG162.7
文章编号：1001-7208 (2021
)03-0071
-06Comparative
Study
on
Continuous
Cooling
Transformation
Characteristics
of
Two
Kinds
of
Steels
for
Needle-
valve
BodyYUN
Xiaoxue1'2
CAO
Yanwen1'2
CHEN
Zhuo1'2
MIM
Yong'an1'2
HE
Changlin1'2
(1.
State
Key
Laboratory
of
Advanced
Special
Steel,
Shanghai
University,
Shanghai
200444,
China；
2.
School
of
Materials
Science
and
Engineering,
Shanghai
University,
Shanghai
200444,
China)【
Abstract
]
Steel
reserved
for
needle-valve
body
for
the
new
generation
of
high-pressure
common
rail
fuel
injection
system
need
to
exhibit
even
higher
properties.
The
continuous
cooling
transformation
characteristics
of
two
kinds
of
steels
for
needle-
valve
body,
namely
18Cr2Ni2
and
18Cr2Ni2Mo,
were
comparatively
studied.
The
continuous
cooling
transformation
(
CCT)
curves
of
the
two
steels
were
calculated
by
JMatPro
software.
The
CCT
diagrams
of
the
two
steels were
determined
by
means
of
DIL805A
thermal
dilatometer
in
conjuction
with
metallagraphic
test
and
hardness
measurement.
The
results
showed
that
compared
with
18Cr2Ni2
steel,
Ac3
and
temperatures
of
18Cr2Ni2Mo
steel
were
increased
to
830
and
761
C
,
respectively,
the
ferrite/pearlite
transformation
was
obviously
delayed，and
the
critical
cooling
rate
of
martensite
transformation
was
reduced
from
10
to
3
C/s,
which
improved
the
hardenability
of
martensite.
Moreover,
the
critical
cooling
rate
of
bainite
transformation
was
from
0.
005
to
3
C/s,
the
bainite
zone
enlarged
significantly，and
bainite
was
more
easily
produced
in
the
process
of
continuous
casting
and
rolling，
which
made
the
production
more
difficult.【
Key
Words
]
needle-
valve
body，
Mo
element，
JMatPro
software，
thermal
expasion
method，continuous
cooling
transformation
curve基金项目：宝山钢铁股份有限公司资助项目(No.
R17APCD001)作者简介:云晓雪，女，硕士，主要研究方向为汽车用钢及其强韧化,E-mail:
shuyunxx@163.
com
通信作者：陈卓，男，硕士,E-mail:
chenzhuo@shu. edu.
cn
72上海金属为满足日益严格的汽车尾气排放法规的要求,
第43卷依据。因此,研究新型针阀体用钢连续冷却过程
柴油发动机将采用300
MPa以上的超高喷射压
试1],以强化燃油雾化效果、提高燃烧效率。发动
机高压共轨喷射系统的核心部件针阀体因而将承
中的相变行为很有必要。本文基于18Cr2Ni2因
及添加一定量Mo元素的18Cr2Ni2Mo钢，结合
受更高的工作温度和更大的工作负载[]为了更
好地适应新的服役工况,博世公司在主流的高性能
针阀体用钢18Cr2Ni2(德国钢号18CrNi8)的基础
上添加Mo元素,开发出了新一代含Mo针阀体钢。oJMatPro软件热力学计算，采用热膨胀法结合金相
法建立了两种试验钢的连续冷却转变曲线，对比
探究了两种针阀体用钢的连续冷却转变行为。1试验材料与方法经真空冶炼、锻造、软化退火等工艺制得030
过冷奥氏体连续冷却转变曲线是制定热处理
mm的试棒,18Cr2Ni2钢和18Cr2Ni2Mo钢的化学
成分如表所示。工艺、选择钢材和预测热处理后零件性能的重要
1表1针阀体用试验钢的化学成分(质量分数)Table
1
Chemical
compositions
of
the
tested
steels
used
for
needle-
valve
body
(
mass
fraction)
钢号18
Cr2Ni218Cr2
Ni2MoC%SiW0.
50W0.
50MnW0. 70W0. 70CrNi0.16
〜0.230.16
〜0.231.70〜2.101.70〜2.101.70
〜2.101.70
〜2.10Mo-0.70〜1.10根据化学成分，利用JMatPro软件模拟计算
NIKON
MA100型倒置显微镜下观察显微组织。
利用MH-3L型维氏硬度计测量硬度，试验力为
200
g,加载时间为5
s,每个试样测4〜6个点，取
两种试验钢的过冷奥氏体连续冷却转变(CCT)曲
线，确定钢的临界转变温度。计算时将晶粒度设
为9级，奥氏体化温度设为900
C
o利用线切割
平均值。利用切线法对热膨胀曲线进行分析处
机从两种钢棒原料上沿纵向切取尺寸04
mm
X
10
mm的圆柱体试样，利用DIL805A型热膨胀快
理，结合金相-硬度法绘制两种试验钢的CCT
曲线。2试验结果与分析2.
1
模拟CCT曲线速相变仪测定钢以不同冷速连续冷却时的热膨胀
曲线,获得两种钢的CCT曲线。试验在50
Pa真
空度下进行，冷却气体为氮气。先将两种试样以
10
C/s的速率升温至600
C，然后以200
C/h
利用JMatPro软件对两种钢的CCT曲线进行
计算，结果如图1所示。与18Cr2Ni2钢相比,
18Cr2Ni2Mo钢的贝氏体、珠光体相区右移;当冷速
的速率升温至900
C，测量其奥氏体转变开始温
度(九)和结束温度(九3)；再以10
C/s的速率升
低于30
C/s时,18Cr2Ni2钢中开始出现贝氏体，而
18Cr2Ni2Mo钢的贝氏体形成临界冷速仅为3
C/s。
温至900
C
,保温5
min,最后以0.
005
~
30
C/s
的速率冷却至室温，记录冷却过程中的热膨胀
对于18Cr2Ni2Mo钢，珠光体形成临界冷速也从
18Cr2Ni2钢的4
C/s降低至0.
03
C/s,降低了两
曲线。将热处理后的试样进行镶嵌,经打磨、抛光后
个数量级；、缶相变点从18Cr2Ni2钢的764、
727
C分别提高至776、731
C,甌点从365
C降低至用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在
600200■珠光体(1%)■贝氏体(1%)•奥氏体(1%)
米胚_•
50%马氏体♦
90%马氏体10
1 000
100
000
时间/sb)
18Cr2Ni2Mo钢10
1
000
100
000
时间/sa)
18Cr2Ni2钢图1
JMatPro软件模拟计算的两种试验钢的CCT曲线Fig.
1
CCT
curves
of
the
two
tested
steels
simulated
and
calculated
by
JmatPro
software
第3期云晓雪等:两种针阀体用钢的连续冷却转变特性对比研究73340
C
,说明Mo元素的添加对钢的相变影响很大。钢
Ac3
=817
C、、c1
=757
C
,18Cr2Ni2Mo
钢
Ac3
=
830
C、A
c1
=
761
C
2.
2相变温度的确定o
18
Cr2
Ni2
Mo
钢相较
两种试验钢加热过程中的热膨胀曲线如图2
18Cr2Ni2钢A。3温度升高了
13
C
,温度升高了
所示，通过切线法获得奥氏体的相变点:18Cr2Ni2
4
C
,点从402
C降低至362
C
°图2
两种试验钢的奥氏体相变温度Fig.
2
Austenite
transformation
temperatures
of
the
two
tested
steels2.
3
显微组织和硬度减少,冷速为5
C/s时，马氏体基本消失,得到以
贝氏体为主的组织；当冷速降低至1
C/s时，形成
以不同速度冷却的两种钢的典型热膨胀曲线
如图3所示，对应的组织如图4所示。如图4（a〜
d）所示,冷速为30
C/s时,18Cr2Ni2钢的组织基
了白色铁素体和黑色珠光体组织;随着冷速的进
一步降低，高温转变产物越来越多，冷速为
0.
3
C/s时,组织基本由铁素体和珠光体组成。本全为马氏体;随着冷速的降低，马氏体含量逐渐
温度代a)18Cr2Ni2钢温度/弋b)
18Cr2Ni2M0钢图3
两种试验钢的典型热膨胀曲线Fig.
3
Typical
thermal expansion
curves
of
the
two
tested
steels从图4
（〜h、可以看出，冷速为30
C/s时，
18Cr2Ni2Mo钢只发生马氏体转变,室温组织为全
以不同速度冷却的两种钢的显微硬度分布如
图5所示。可见随着冷速的降低，两种钢的显微
马氏体;冷速为1
C/s时,马氏体中存在部分细
硬度均不断降低，其中18Cr2Ni2钢在冷速为
1
C/s时硬度明显降低，为281
HV0.
2，这是由于
小的贝氏体;随着冷速的降低，马氏体含量减少,
当冷速达到0.
3
C/s后，马氏体基本消失，组织
钢中软质相铁素体、珠光体增多所致。18Cr2Ni2Mo
钢在冷速高于1
C/s时，硬度均高于449
HV0.
2,室
为贝氏体;冷速低于0.
01
C/s时发生铁素转变,
组织为贝氏体和块状铁素体混合组织。温组织基本为全硬质相马氏体;当冷速低于0.01
C/s
74上海金属第43卷c）
18Cr2Ni2钢（冷速
1
°C/s）20 pirne）
18Cr2Ni2Mo钢（冷速30
T/s）f）
18Cr2Ni2Mo钢（冷速
1
TVs）g）
18Cr2Ni2Mo钢（冷速0.3
兀/s）
h）
18Cr2Ni2Mo钢（冷速0.01
r/s）图4
两种试验钢在不同冷速下的显微组织Fig.
4
Microstructures
of
the
two
tested
steels
at
different
cooling
rates时，硬度降低至351
HV0.
2，这是钢中贝氏体含量
根据试样在不同冷却速度下连续冷却时的膨减少，铁素体含量大幅度增加所致。
2•
4实测CCT曲线
胀曲线，结合显微组织和硬度，绘制两种退火态试验钢的CCT曲线如图6所示。可见对于
第3期云晓雪等:两种针阀体用钢的连续冷却转变特性对比研究7518Cr2Ni2钢，当冷速高于10
C/s时，进入马氏体
氏体化条件下,JMatPro软件计算的是碳化物完全
固溶的理想情况下的相变,而在实际试验过程中
相变范围；在10〜0.
6
C/s冷速范围内，发生贝
氏体转变;冷速约低于1
C/s时,进入珠光体和
铁素体高温相区。而18Cr2Ni2Mo钢在冷速高于
3
C/s时仅存在马氏体相区，在3〜0.
005
C/s较仍有部分碳化物未溶，故两种试验钢的Ms点计
算值均较试验值低。从图3中18Cr2Ni2Mo钢的
0•
01
C/s冷速下的膨胀曲线较难判断室温下是
宽的冷速范围内，为贝氏体区，冷速约低于
0
•
01
C/s时，进入铁素体相区。否存在铁素体组织，但结合热力学计算所得CCT
曲线及该冷速下的组织，可以准确地判断0.
01
C/s冷速下已经形成了铁素体。可见JMatPro软
件计算结果与实测的CCT曲线十分吻合，可为相
图5
两种试验钢的显微硬度随冷却速度的变化Fig.
5
Microhardness of
the
two
tested
steels
as
a
function
of
cooling
rate时间/S图6
两种试验钢的CCT曲线Fig.
6
CCT
curves of
the
two
tested
steels3讨论由于Mo元素是铁素体形成元素，缩小奥氏
体相区,JMatPro软件计算得出添加Mo元素后,
钢的生、人温度升高,与试验测得的4c3、ci温度
变化规律一致。但18Cr2Ni2Mo钢的A、4辺温度
分别为830、761
C，明显高于计算所得A3
(776
C
)、A]
(731
C
)温度，这是因为实测为加热过程
中的相变温度，而非平衡相变温度。在900
C
变试验条件的设定、试验结果的准确性判断提供
理论依据。Mo元素的添加推迟了钢的铁素体转变。由
于Mo元素在铁素体和渗碳体之间的扩散速度
慢,也减小了碳的扩散速度/提高了碳在奥氏体中
的扩散激活能，增大了
a-Fe的形核功⑶，从而推
迟了奥氏体的扩散分解过程，延长了珠光体的孕
育期,推迟了奥氏体向先共析铁素体和珠光体转
变[-5]o因而18Cr2Ni2Mo钢在连续冷却转变过
程中，珠光体形核困难。随着冷速的进一步降低,
受扩散控制的铁素体转变不再受到抑制；当冷速
达到临界值时(0.
01
C/s),转变组织中便出现铁
素体⑹o18Cr2Ni2Mo钢的贝氏体转变冷速范围较宽
(3〜0.
005
C/s)，这是由于Mo元素是强碳化物
形成元素，在增加过冷奥氏体稳定性的同时，推迟
珠光体转变的作用比推迟贝氏体转变的作用更加
显著，从而促进了贝氏体的形成。因此
18Cr2Ni2Mo钢的贝氏体转变孕育期短，在较宽的
冷速范围内均可获得贝氏体组织⑺。同时Mo元
素可以起抑制碳化物析出的作用,提高奥氏体中
碳浓度，使钢在较低冷速下的淬透性仍较好⑻o18Cr2Ni2钢奥氏体化后冷却到830
C左右
时，奥氏体开始转变，冷速低于0.
3
C/s时获得
平衡态组织。但添加Mo元素后，贝氏体区扩大,
在0.
3
C/s冷速下易出现贝氏体组织，尤其在冷
速较大的钢坯边角部，奥氏体转变为延展性较低
的贝氏体，影响钢坯的高温塑性。故18Cr2Ni2Mo
钢在连铸过程中需要缓冷,以避免钢坯在弯曲、矫
直过程中受外力作用而产生应力集中，造成钢坯
角裂[-10]o
18Cr2Ni2Mo钢线材在轧制控制冷却
过程中，需经过二次冷却700〜400
C这一温度区
间,此时易出现硬度较高的贝氏体组织，导致钢材
76上海金属滨:哈尔滨工程大学,2016.第43卷的切削性能和冷变形性能下降，为满足钢材出厂
的硬度要求，需进行退火处理。4结论[2
]
OSMAN
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Failure
of
a diesel
engine
injector
nozzle
by
cavitation
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J].
Engineering
Failure
Analysis,2005,13
(7
)
: 1126-
1133.(1、采用JMatPro软件计算18Cr2Ni2和
18Cr2Ni2Mo钢的连续冷却转变(CCT)曲线较为
[]陈睿恺.30Cr2Ni4MoV钢低压转子热处理工艺的研究[D].
上海:上海交通大学,012.[4]
CHEN
J,
TANG
S,
LIU
Z
Y,
et
al.
Influence
of
molybdenum
content
on
transformation
behavior
of
high
performance
bridge
可靠，但由于软件计算是基于热力学平衡条件,故
相变点的计算值与实测值存在差异。JMatPro软
件可辅助试验研究,为新钢种相变特性研究提供
参考。(2
)
18Cr2Ni2钢的Ac3、九温度分别为817、
steel
during
continuous
cooling
[
J
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Design,
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GOMEZ
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RANCEL
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Phase
transformation
under
continuous
cooling
conditions
in
medium
757
C
,Mo元素的添加使18Cr2Ni2Mo钢的A°3、
carbon
microalloyed
steels
[
J]
.
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Materials
Science
&
Ad温度分别升高至830、761
C，陆点从365.2
C
Technology,
2014
,
30(5)
:
511
-516.降低至340.
0
C，并显著推迟铁素体和珠光体转
变;在冷速大于3
C/s时即可得到全马氏体组
[]赵宝纯，李李艳,柳永浩，等.含Mo低碳微合金组CCT曲线
的测定与分析[].热加工工艺,2008,37(22)
：37-39.[7]
廉晓洁，成生伟，周杰，等.20Cr1Mo1V钢CCT曲线的测定与
织,18Cr2Ni2Mo钢的淬透性大幅度提高。(3)18Cr2Ni2Mo钢的贝氏体转变冷速范围为
分析[].热加工工艺,2014,43(20
)：28-30.[8]
HAN
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T,
HWANG
B,
SUH
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Effect
of
molybdenum
and
chromium
on
hardenability
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low-
carbon
boron-
added
steels
0.
005〜3
C/s,贝氏体相区较宽。在连铸过程
中,18Cr2Ni2Mo钢坯边角部相较18Cr2Ni2钢更
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