熱處理對(duì)1Cr13Ni馬氏體不銹鋼組織與性能影響

■劉珊，張莉，丁志敏，謝成

馬氏體不銹鋼1Cr13Ni含有較高的C元素，可通過熱處理工藝的調(diào)質(zhì)處理，達(dá)到強(qiáng)度、硬度和沖擊韌度的提高，是一種綜合力學(xué)性能較佳的鋼種。該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有較高的強(qiáng)度、韌性和良好的減震性，適用于制造在腐蝕介質(zhì)和沖擊載荷條件下工作的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)連接管及安裝邊等。材料的使用狀態(tài)組織為回火索氏體，既具有良好的減震性，又具有較高的強(qiáng)度韌性配合。提高和改善該鋼的力學(xué)性能將直接影響工件的力學(xué)性能和使用壽命，因此熱處理工藝對(duì)該鋼的正常使用起著非常重要的作用。為此，本文討論了熱處理工藝對(duì)1Cr13Ni馬氏體不銹鋼組織和性能的影響。

一、試驗(yàn)材料與方法

1. 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為退火態(tài)馬氏體不銹鋼1Cr13Ni，化學(xué)成分見表1。

2. 試驗(yàn)方法

對(duì)試樣進(jìn)行以下三種方案處理：

（1）淬火處理 選取3組試樣，淬火溫度分別為900 ℃、950℃、1000℃，冷卻方式為油冷，試樣編號(hào)為1#、2#、3#。檢查淬火后組織。對(duì)不同淬火溫度試樣（1#、2#、3#）進(jìn)行回火，回火溫度550℃，回火時(shí)間3h，檢查回火后組織與力學(xué)性能。

（2）淬火+回火處理 選取8組試樣，淬火溫度950℃，淬火冷卻方式為油冷，分別從低溫到高溫進(jìn)行回火，回火溫度為500～610℃，回火冷卻方式均為空冷。試樣編號(hào)分別為4#～12#，檢查室溫拉伸性能、沖擊韌度、硬度及顯微組織。

（3）淬火+回火處理 選取24組試樣，淬火溫度950℃，淬火冷卻方式為油冷，分別從低溫到高溫進(jìn)行回火，回火溫度550～610℃，分別選取不同的回火時(shí)間（2h、3h、4h、5h）對(duì)棒料回火，回火冷卻方式為空冷。檢查試樣室溫拉伸性能和硬度。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

二、結(jié)果與討論

1. 淬火溫度對(duì)1Cr13Ni組織及力學(xué)性能的影響

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)方案1的淬火試樣進(jìn)行分析，試樣的金相顯微組織如圖1所示，試樣回火后組織如圖2所示，性能如表2所示。

依據(jù)相圖計(jì)算，1Cr13 Ni材料的完全奧氏體化溫度為918℃。從圖1觀察可知，3組試樣淬火后組織為殘留奧氏體和馬氏體，1#、2#晶粒度為9～10級(jí)，3#晶粒度6級(jí)；1#淬火組織中存在大量碳化物，2#淬火組織中碳化物含量大規(guī)模減少，3#淬火組織中碳化物完全融入基體。這是因?yàn)?00℃的淬火溫度過低，奧氏體化不完全，殘留的碳化物隨著淬火過程保留在基體中，在隨著奧氏體化溫度升高至950℃，奧氏體晶粒有所長大，碳化物大部分溶入基體中，淬火后為均勻的淬火馬氏體和少量的碳化物。當(dāng)淬火溫度升高至1000℃時(shí)，碳化物完全溶入基體，奧氏體晶粒粗大。從表2可知1#、2#、3#三組樣品采用相同回火溫度、回火時(shí)間處理后抗拉強(qiáng)度存在明顯差異，其中經(jīng)過950℃淬火后抗拉強(qiáng)度和硬度較900℃、1000℃淬火+回火后樣品高。因此，950℃淬火后組織更優(yōu)，回火后強(qiáng)度高。

圖1 1Cr13Ni馬氏體不銹鋼不同溫度淬火后顯微組織

圖2 1Cr13Ni馬氏體不銹鋼不同溫度淬火+550℃回火后顯微組織

表2 900℃、950℃、1000℃淬火+550℃×3h回火后抗拉強(qiáng)度及硬度

2. 回火溫度對(duì)1Cr13Ni棒料組織及力學(xué)性能的影響

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)方案2的淬火+回火試樣進(jìn)行分析，試樣的金相顯微組織如圖3所示，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，回火溫度在500～610℃時(shí)，試樣組織均為回火索氏體+碳化物+鐵素體，晶粒等級(jí)在8～9級(jí)。

從圖4可以得出，經(jīng)過回火后，材料強(qiáng)度和硬度曲線變化趨勢一致，說明該材料的強(qiáng)度和硬度有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在500～560℃時(shí)，隨溫度升高，材料強(qiáng)度和硬度下降較快，這是由于隨著回火溫度升高，基體析出的彌散分布碳化物聚集長大，對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用減弱，材料的強(qiáng)度、硬度下降。進(jìn)一步升高回火溫度，在560～610℃下，由于碳化物進(jìn)一步長大，材料的強(qiáng)度和硬度繼續(xù)下降，韌性提高；同時(shí)由于回火溫度的提升，馬氏體和殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變已經(jīng)趨于完全，故此階段強(qiáng)度、硬度的下降幅度明顯減小，回火溫度高于580℃之后，強(qiáng)度、硬度和沖擊韌度趨于穩(wěn)定。

回火溫度在500～520℃時(shí)，材料的沖擊韌度升高，繼續(xù)提高回火溫度至540℃左右時(shí)，沖擊韌度顯著降低，出現(xiàn)明顯的回火脆性傾向。這是因?yàn)樵谠摐囟确秶鼗饡r(shí)，Cr、Ni元素在板條間和晶界上偏析，同時(shí)，還促使其他雜質(zhì)元素偏聚在晶界，降低鋼的韌性，該回火脆性區(qū)為可逆回火脆性區(qū)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)未見對(duì)國產(chǎn)該材料的回火脆性進(jìn)行研究報(bào)道，因此本試驗(yàn)是對(duì)1Cr13Ni不銹鋼熱處理數(shù)據(jù)的一個(gè)很好補(bǔ)充，為該材料的熱加工提供參考。

圖4 回火溫度對(duì)1Cr13Ni力學(xué)性能的影響

圖5 回火保溫時(shí)間對(duì)1Cr13Ni力學(xué)性能的影響

3. 回火時(shí)間對(duì)1Cr13Ni力學(xué)性能影響

對(duì)方案3的24組試樣進(jìn)行淬火+回火，試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5中，1Cr13Ni馬氏體不銹鋼的室溫抗拉強(qiáng)度和硬度隨回火保溫時(shí)間延長而降低，硬度和抗拉強(qiáng)度的下降呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，下降趨勢隨著溫度升高而降低。當(dāng)回火溫度超過580℃，隨回火時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度和硬度基本趨于穩(wěn)定?？烧J(rèn)為當(dāng)回火溫度超過580℃時(shí)，回火2h后材料的組織已經(jīng)穩(wěn)定。

三、結(jié)語

（1）隨著淬火溫度從900℃提高至1000℃，淬火后組織存在差異，經(jīng)回火后1Cr13Ni馬氏體不銹鋼力學(xué)性能存在先升后降的現(xiàn)象，為了得到較好的組織與性能，淬火溫度應(yīng)選擇950℃為宜。

（2）為了得到較高的強(qiáng)度、硬度及韌性組合，1Cr13Ni馬氏體不銹鋼的最終熱處理工藝為淬火+高溫回火。經(jīng)過該熱處理工藝的金相組織為索氏體組織，晶粒度為8～9級(jí)。

（3）1Cr13Ni馬氏體不銹鋼回火時(shí)有明顯的回火脆性現(xiàn)象，在520～560℃溫度區(qū)間沖擊韌度顯著下降，因此該材料的熱處理應(yīng)該避免在這個(gè)溫度區(qū)域回火。