熱處理對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質處理，達到強度、硬度和沖擊韌度的提高，是一種綜合力學性能較佳的鋼種。該鋼經調質處理后，具有較高的強度、韌性和良好的減震性，適用于制造在腐蝕介質和沖擊載荷條件下工作的零件，如發動機連接管及安裝邊等。材料的使用狀態組織為回火索氏體，既具有良好的減震性，又具有較高的強度韌性配合。提高和改善該鋼的力學性能將直接影響工件的力學性能和使用壽命，因此熱處理工藝對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1Cr13Ni馬氏體不銹鋼組織和性能的影響。

一、試驗材料與方法

1. 試驗材料

試驗材料為退火態馬氏體不銹鋼1Cr13Ni，化學成分見表1。

2. 試驗方法

對試樣進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，試樣編號為1#、2#、3#。檢查淬火后組織。對不同淬火溫度試樣（1#、2#、3#）進行回火，回火溫度550℃，回火時間3h，檢查回火后組織與力學性能。

（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行回火，回火溫度為500～610℃，回火冷卻方式均為空冷。試樣編號分別為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行回火，回火溫度550～610℃，分別選取不同的回火時間（2h、3h、4h、5h）對棒料回火，回火冷卻方式為空冷。檢查試樣室溫拉伸性能和硬度。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數） （%）

二、結果與討論

1. 淬火溫度對1Cr13Ni組織及力學性能的影響

利用光學顯微鏡對方案1的淬火試樣進行分析，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。

依據相圖計算，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，3#晶粒度6級；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模減少，3#淬火組織中碳化物完全融入基體。這是因為900℃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。當淬火溫度升高至1000℃時，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、回火時間處理后抗拉強度存在明顯差異，其中經過950℃淬火后抗拉強度和硬度較900℃、1000℃淬火+回火后樣品高。因此，950℃淬火后組織更優，回火后強度高。

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回火后抗拉強度及硬度

2. 回火溫度對1Cr13Ni棒料組織及力學性能的影響

利用光學顯微鏡對方案2的淬火+回火試樣進行分析，試樣的金相顯微組織如圖3所示，力學性能試驗結果如圖4所示。

分析圖3可以發現，回火溫度在500～610℃時，試樣組織均為回火索氏體+碳化物+鐵素體，晶粒等級在8～9級。

從圖4可以得出，經過回火后，材料強度和硬度曲線變化趨勢一致，說明該材料的強度和硬度有著良好的對應關系，在500～560℃時，隨溫度升高，材料強度和硬度下降較快，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，對位錯的釘扎作用減弱，材料的強度、硬度下降。進一步升高回火溫度，在560～610℃下，由于碳化物進一步長大，材料的強度和硬度繼續下降，韌性提高；同時由于回火溫度的提升，馬氏體和殘留奧氏體的轉變已經趨于完全，故此階段強度、硬度的下降幅度明顯減小，回火溫度高于580℃之后，強度、硬度和沖擊韌度趨于穩定。

回火溫度在500～520℃時，材料的沖擊韌度升高，繼續提高回火溫度至540℃左右時，沖擊韌度顯著降低，出現明顯的回火脆性傾向。這是因為在該溫度范圍回火時，Cr、Ni元素在板條間和晶界上偏析，同時，還促使其他雜質元素偏聚在晶界，降低鋼的韌性，該回火脆性區為可逆回火脆性區。現有文獻未見對國產該材料的回火脆性進行研究報道，因此本試驗是對1Cr13Ni不銹鋼熱處理數據的一個很好補充，為該材料的熱加工提供參考。

圖4 回火溫度對1Cr13Ni力學性能的影響

圖5 回火保溫時間對1Cr13Ni力學性能的影響

3. 回火時間對1Cr13Ni力學性能影響

對方案3的24組試樣進行淬火+回火，試樣進行力學性能試驗，結果如圖5所示。

圖5中，1Cr13Ni馬氏體不銹鋼的室溫抗拉強度和硬度隨回火保溫時間延長而降低，硬度和抗拉強度的下降呈現良好的對應關系。同時，下降趨勢隨著溫度升高而降低。當回火溫度超過580℃，隨回火時間延長，抗拉強度和硬度基本趨于穩定。可認為當回火溫度超過580℃時，回火2h后材料的組織已經穩定。

三、結語

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

（2）為了得到較高的強度、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。

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