等溫退火工藝對2Cr13鋼組織及其性能的影響

李于朋， 李 寧， 郝恩喜， 薩仁格日樂，李洪杰， 車乾銘

（1.長春工業大學先進結構材料教育部重點實驗室，吉林長春 130012; 2.沈陽科金特種材料有限公司，遼寧沈陽 110101）

0 引 言

2Cr13鋼是一種馬氏體不銹鋼，在室溫下的平衡組織是由鐵素體加碳化物組成。在淬火狀態下因為其具有硬度高、耐蝕性良好等特點，應用范圍特別廣泛[1-6]。但此鋼在普通退火過程中，以緩慢冷卻來保證奧氏體在珠光體區上部轉變，并依靠控制冷卻速度來控制轉變的過冷度，因此工件內外冷卻速度不同，越靠近心部，冷卻速度越慢，轉變溫度就越高，退火硬度越低，故經常出現工件內外部組織和性能不均勻，普通退火冷卻時間太長，生產效率低。近年來，等溫退火工藝以精確控制等溫溫度以及等溫時間，準確控制轉變的過冷度，實現等溫組織轉變并大大縮短工藝周期等優點，使其得到廣泛應用[7-8]。文中采用常規退火處理和等溫退火處理對2Cr13鋼進行處理，并對兩種退火工藝的金相組織和力學性能進行了測試和討論。

1 試驗材料和方法

試驗用鋼為2Cr13，主要化學成分見表1。

表1 2Cr13鋼主要化學成分（質量分數） %

制取2Cr13試樣，其中，金相觀察試樣尺寸為20 mm×20 mm×8 mm;加工標準拉伸試樣，試樣厚度為8 mm，平行段寬度為20 mm;加工標準U型缺口沖擊試樣。將試樣分為兩組，分別進行常規退火處理和等溫退火處理，并對兩種工藝處理后的試樣進行淬火處理。常規退火工藝為680℃×4 h爐冷至350℃后空冷;等溫退火工藝為1 000℃×4 h風冷至660℃×8 h后空冷;淬火工藝統一為1 000℃×3 h油冷，650℃×3 h水冷。

將以上熱處理工藝后的金相觀察試樣制備金相試樣，采用OLYMPUS GX51型光學金相顯微鏡對其退火組織和正火組織進行觀察，使用WDW200型電子拉伸試驗機對以上淬火后的拉伸試樣進行拉伸性能測試，采用JBS-300型沖擊試驗機對淬火后的沖擊試樣進行沖擊試驗。

2 試驗結果及其分析

常規退火工藝和等溫退火工藝熱處理后的金相照片分別如圖1和圖2所示。

圖1 2Cr13常規退火后組織圖（×200）

圖2 2Cr13等溫退火后組織圖（×200）

從圖1和圖2中可以看出，等溫退火比普通退火組織更均勻，更接近平衡組織。

2Cr13兩種退火工藝處理后經淬火處理后的金相照片分別如圖3和圖4所示。

圖3 2Cr13普通退火后淬火組織圖（×200）

圖4 2Cr13等溫退火后淬火組織圖（×200）

從圖3和圖4更是可以直接看出，在組織都幾乎是馬氏體的前提下，等溫退火后再進行淬火獲得的組織其晶粒度更細小。

熱處理后金相的晶粒度級別對照見表2。

眾所周知，晶粒度大小在一定范圍內，晶粒越細小，晶界面積就越大，晶界面積的增加，使晶界上雜質濃度減少，避免產生沿晶脆性斷裂。晶界是裂紋擴展的阻力，晶界前塞積的位錯數減少，有利于降低應力集中，所以細化晶粒能大大地提高材料的強度和韌性。反之，并不是晶粒越細小越好，晶界是缺陷聚集區，當晶粒過于細小以后，其缺陷表現出來的機械性能就會大幅度下降。出現這種晶粒細小的根本原因在于，通過珠光體等溫轉變，在珠光體相區形成大量的高濃度碳聚集區，即難溶解的高熔點碳化物在晶界大量的析出。在淬火過程中，這些難溶解的高熔點碳化物由于很難在奧氏體化過程中完全溶解，高熔點碳化物就形成了奧氏體再結晶的晶核。新生成的奧氏體晶粒以這些碳化物為質點，優先成核，生成全新的奧氏體晶粒，分解了原有組織晶粒，進而細化了原有奧氏體晶粒，從而最終獲得了較細的淬火組織。

表2 金相晶粒度結果對照

將拉伸試樣和沖擊試樣進行熱處理后做力學性能試驗，其結果見表3。

表3 2Cr13不同退火制度和相同淬火條件下室溫力學性能結果對照表

從表3可以看出，經過等溫退火的材料較之常規退火工藝，在同樣淬回火條件下，等溫退火工藝的 Rp0.2較常規退火值提高了 10%，達到了682.658 MPa，斷裂伸長率和斷面收縮率分別達到了21.35%和71.325%，抗拉強度可達到850 MPa以上，沖擊功Aku2值提高了21.8%，達到75.5 J。由此可以看出，通過等溫退火后，2Cr13鋼的強韌性都得到了不同幅度提高，說明等溫退火提高了材料的強韌性，對于材料的預處理有非常積極的意義。

當然，并不是大多數材料都可以采用等溫退火處理來達到細化晶粒的目的。對于一些耐熱鋼以及含有大量的合金元素的鋼種來說，由于合金元素眾多，在連續冷卻過程中，推遲了珠光體等組織轉變，故而C曲線轉變比較靠后。由于其連續冷卻過程中不存在珠光體等中間過渡組織，這樣高溫奧氏體在此停留隨時間推移只能轉變為較為穩定的低溫奧氏體。這樣的奧氏體一旦穩定以后，其組織較難分解，且對材料本身強韌性沒有幫助，所以，這類鋼種即使采用等溫退火也得不到中間過渡組織，也就很難得到細化的晶粒。實際生產中，考慮到大鍛件的最后鍛造過程中停鍛溫度較高，故可以利用鍛后余熱來直接實現等溫退火，這樣大大節省了企業生產成本，并且提供了較為穩定的母材原始組織。

3 結 語

1）2Cr13鋼等溫退火后能較快獲得平衡組織，淬火能獲得較細的淬火組織，對于晶粒細化有一定作用。

2）2Cr13鋼等溫退火后經淬火處理，各項力學性能均優于常規退火工藝，屈服強度和沖擊韌性得到不同幅度的提高。

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[6] 朱向群，戴起勛.汽車衡用馬氏體不銹鋼連接件熱處理工藝改進[J].機械工程材料，2008，32（6）:74-77.

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