李于朋， 李 寧， 郝恩喜， 薩仁格日樂，李洪杰， 車乾銘

（1.長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tài)下因?yàn)槠渚哂杏捕雀?、耐蝕性良好等特點(diǎn)，應(yīng)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(qū)上部轉(zhuǎn)變，并依靠控制冷卻速度來控制轉(zhuǎn)變的過冷度，因此工件內(nèi)外冷卻速度不同，越靠近心部，冷卻速度越慢，轉(zhuǎn)變溫度就越高，退火硬度越低，故經(jīng)常出現(xiàn)工件內(nèi)外部組織和性能不均勻，普通退火冷卻時(shí)間太長，生產(chǎn)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(shí)間，準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)變的過冷度，實(shí)現(xiàn)等溫組織轉(zhuǎn)變并大大縮短工藝周期等優(yōu)點(diǎn)，使其得到廣泛應(yīng)用[7-8]。文中采用常規(guī)退火處理和等溫退火處理對(duì)2Cr13鋼進(jìn)行處理，并對(duì)兩種退火工藝的金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行了測試和討論。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用鋼為2Cr13，主要化學(xué)成分見表1。

表1 2Cr13鋼主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

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(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣厚度為8 mm，平行段寬度為20 mm;加工標(biāo)準(zhǔn)U型缺口沖擊試樣。將試樣分為兩組，分別進(jìn)行常規(guī)退火處理和等溫退火處理，并對(duì)兩種工藝處理后的試樣進(jìn)行淬火處理。常規(guī)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(fēng)冷至660℃×8 h后空冷;淬火工藝統(tǒng)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(xué)金相顯微鏡對(duì)其退火組織和正火組織進(jìn)行觀察，使用WDW200型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)以上淬火后的拉伸試樣進(jìn)行拉伸性能測試，采用JBS-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)淬火后的沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

常規(guī)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(guī)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(jīng)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(jìn)行淬火獲得的組織其晶粒度更細(xì)小。

熱處理后金相的晶粒度級(jí)別對(duì)照見表2。

眾所周知，晶粒度大小在一定范圍內(nèi)，晶粒越細(xì)小，晶界面積就越大，晶界面積的增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。晶界是裂紋擴(kuò)展的阻力，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力集中，所以細(xì)化晶粒能大大地提高材料的強(qiáng)度和韌性。反之，并不是晶粒越細(xì)小越好，晶界是缺陷聚集區(qū)，當(dāng)晶粒過于細(xì)小以后，其缺陷表現(xiàn)出來的機(jī)械性能就會(huì)大幅度下降。出現(xiàn)這種晶粒細(xì)小的根本原因在于，通過珠光體等溫轉(zhuǎn)變，在珠光體相區(qū)形成大量的高濃度碳聚集區(qū)，即難溶解的高熔點(diǎn)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(diǎn)碳化物由于很難在奧氏體化過程中完全溶解，高熔點(diǎn)碳化物就形成了奧氏體再結(jié)晶的晶核。新生成的奧氏體晶粒以這些碳化物為質(zhì)點(diǎn)，優(yōu)先成核，生成全新的奧氏體晶粒，分解了原有組織晶粒，進(jìn)而細(xì)化了原有奧氏體晶粒，從而最終獲得了較細(xì)的淬火組織。

表2 金相晶粒度結(jié)果對(duì)照

將拉伸試樣和沖擊試樣進(jìn)行熱處理后做力學(xué)性能試驗(yàn)，其結(jié)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(xué)性能結(jié)果對(duì)照表

從表3可以看出，經(jīng)過等溫退火的材料較之常規(guī)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(guī)退火值提高了 10%，達(dá)到了682.658 MPa，斷裂伸長率和斷面收縮率分別達(dá)到了21.35%和71.325%，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到850 MPa以上，沖擊功Aku2值提高了21.8%，達(dá)到75.5 J。由此可以看出，通過等溫退火后，2Cr13鋼的強(qiáng)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(qiáng)韌性，對(duì)于材料的預(yù)處理有非常積極的意義。

當(dāng)然，并不是大多數(shù)材料都可以采用等溫退火處理來達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。對(duì)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(xù)冷卻過程中，推遲了珠光體等組織轉(zhuǎn)變，故而C曲線轉(zhuǎn)變比較靠后。由于其連續(xù)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(shí)間推移只能轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為穩(wěn)定的低溫奧氏體。這樣的奧氏體一旦穩(wěn)定以后，其組織較難分解，且對(duì)材料本身強(qiáng)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(xì)化的晶粒。實(shí)際生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)等溫退火，這樣大大節(jié)省了企業(yè)生產(chǎn)成本，并且提供了較為穩(wěn)定的母材原始組織。

3 結(jié) 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(xì)的淬火組織，對(duì)于晶粒細(xì)化有一定作用。

2）2Cr13鋼等溫退火后經(jīng)淬火處理，各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于常規(guī)退火工藝，屈服強(qiáng)度和沖擊韌性得到不同幅度的提高。

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