楊立強(qiáng)，李睿

(海裝重慶局，重慶400023)

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

3Cr13鋼在某型艦炮應(yīng)用中的熱處理工藝分析

楊立強(qiáng)，李睿

(海裝重慶局，重慶400023)

熱處理是提升金屬材料性能的傳統(tǒng)而成熟的工藝，而艦炮使用環(huán)境對(duì)3Cr13不銹鋼材料提出了極高的性能要求，基于現(xiàn)有設(shè)備及工藝，通過(guò)理論分析及研究對(duì)象在不同熱處理工藝下的性能對(duì)比，從金屬組織上進(jìn)行技術(shù)分析，從而獲取最佳工藝方法和參數(shù)。

艦炮;3Cr13不銹鋼;熱處理;工藝研究

炮由于長(zhǎng)期工作在高濕、高鹽霧的惡劣環(huán)境中，機(jī)械零件除要求有較高的機(jī)械性能外，對(duì)不易防護(hù)及有特殊要求的零件，要求材料有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。3Cr13鋼屬馬氏體類(lèi)型不銹鋼，機(jī)械加工性能好，經(jīng)熱處理后具有較好的表面抗氧化性能和較好的機(jī)械性能，因此某型小口徑艦炮的多個(gè)零件材料選用3Cr13不銹鋼，以防止零件的銹蝕和氧化，保證艦炮在惡劣環(huán)境下的可靠性和功能。而3Cr13鋼的熱處理對(duì)其力學(xué)性能和防腐性能有較大影響，因此需要根據(jù)材料的特點(diǎn)選用合理的工藝路線，以提升材料性能，滿(mǎn)足使用需求。

1 3Cr13鋼與熱處理工藝相關(guān)的成分及性能分析

1.1 3Cr13鋼的化學(xué)成分

3Cr13不銹鋼屬鉻13型不銹鋼，含C量為0.3%左右(化學(xué)成分表3)，含Cr量為13%左右，在加熱和冷確時(shí)具有α?γ的相變，因此可以用熱處理的方法在比較寬的范圍內(nèi)改善它們的機(jī)械性能。3Cr13鋼完全退火后，硬度低且耐腐蝕性低，這是因?yàn)樵谕嘶鸬匿撝写嬖诖罅康奶蓟t，這不僅使固溶體中的鉻含量降低，并且碳化鉻與基體構(gòu)成許多微電池，故加速了鋼的腐蝕。而淬火狀態(tài)3Cr13鋼，由于基體組織是馬氏體，大量的鉻與碳被保持在馬氏體中，不僅硬度高而且耐腐蝕性也高，因此為了保證3Cr13鋼有高的耐腐蝕性，須經(jīng)淬火和回火后使用［1－3］。

1.2 3Cr13鋼的機(jī)械性能

熱處理后的3Cr13鋼具有高硬度的特點(diǎn)，從表1及表2可以看出其機(jī)械性能在不同熱處理狀態(tài)下有較大的差異［1，4］。

表1 GB/T 1220—2007中3Cr13鋼的機(jī)械性能

表2 3Cr13鋼不同熱處理后的機(jī)械性能

2 3Cr13鋼的熱處理分析

2.1 3Cr13鋼的通用熱處理技術(shù)分析

淬火時(shí)，由于3Cr13鋼含碳量較高，為保證碳化物充分溶解而得到較高的硬度，淬火溫度應(yīng)高些(見(jiàn)表3)，但如果淬火溫度過(guò)高(超過(guò)1050℃)，晶粒顯著長(zhǎng)大，硬度下降(見(jiàn)圖1)［3］，回火時(shí)碳化物的析出過(guò)程強(qiáng)烈使鋼的耐腐蝕性降低。由于Cr13型不銹鋼導(dǎo)熱性低，淬火時(shí)應(yīng)緩慢加熱或經(jīng)過(guò)預(yù)熱再加熱至淬火溫度。

回火時(shí)，由于淬火鋼中有較大的應(yīng)力，必須及時(shí)進(jìn)行回火(見(jiàn)圖2)，大型及形狀復(fù)雜零件，淬火與回火時(shí)間間隔最好不要超過(guò)8 h，在特殊情況下不能立即進(jìn)行回火時(shí)，應(yīng)將先淬完火的零件放在低溫爐中等溫，待具備條件時(shí)再升至規(guī)定的回火溫度進(jìn)行回火。Cr13型不銹鋼的回火方式通常有2種，要求高的硬度時(shí)采用200～300℃低溫回火，得到回火馬氏體組織，此時(shí)由于大量的鉻元素仍保持在固溶體中，因此在保證較高硬度的同時(shí)，耐腐蝕性能也比較高。第二種回火是在600～750℃范圍內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)淬火馬氏體完全分解為回火索氏體，可以獲得較好的強(qiáng)度與韌性的配合。并且由于回火溫度高，合金元素的擴(kuò)散比較容易進(jìn)行，使固溶體重新獲得鉻濃度的平衡。由于3Cr13鋼含碳量較高，高溫回火時(shí)碳化物的析出也會(huì)增加，為了獲取更好性能，3Cr13鋼通常采取低溫回火。由于3Cr13鋼中因?yàn)楹写罅裤t，回火穩(wěn)定性比較高，回火時(shí)間應(yīng)比一般鋼長(zhǎng)些，通常低溫回火時(shí)間更應(yīng)比高溫回火時(shí)間長(zhǎng)些，一般保濕2～4 h。

3Cr13鋼具有回火脆性?xún)A向，但不如一般合金結(jié)構(gòu)鋼那么明顯。在400～600℃范圍內(nèi)回火，由于析出彌散度很高的碳化物，不僅耐腐蝕性降低，并且沖擊韌性也比較低，因此一般不采用這個(gè)溫度區(qū)間回火。

圖1 3Cr13鋼淬火溫度與硬度的關(guān)系

2.2 3Cr13鋼的實(shí)際熱處理工藝分析

3Cr13鋼在某型艦炮的應(yīng)用中，有不同使用狀態(tài)的多個(gè)零件，實(shí)際的熱處理工藝也有2種，一種是真空爐淬火(600～650℃預(yù)熱20～30 min后，980～1 000℃加熱30～45 min，油冷)加高溫回火(520～560℃保溫60～90 min)，另一種是真空爐淬火(條件同上)加低溫回火(240～300℃保溫60～90 min)，2種工藝的差別只在回火溫度不同(見(jiàn)圖3、圖4)。根據(jù)3Cr13鋼在該型炮上的使用需求，需要較好的機(jī)械性能，即具有較高的硬度和較好的耐沖擊韌性，同時(shí)需要其具備較高的防腐蝕性能，即在熱處理工藝選取時(shí)，需要在達(dá)到該材料最佳機(jī)械性能和最好防腐性能間綜合選擇，較合理的工藝應(yīng)是在1 000℃左右淬火，200～300℃低溫回火。從實(shí)際選取的工藝參數(shù)上看，低溫回火工藝路線與理論上達(dá)到材料最佳性能的工藝要求吻合，而高溫回火的工藝路線，回火溫度為520～560℃，剛好在碳化物高析出的溫度區(qū)間內(nèi)，且在此溫度區(qū)間內(nèi)，3Cr13鋼硬度下降快，度控制難度大(見(jiàn)圖2)，硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕性均處于較低狀態(tài)。經(jīng)分析得知，采用高溫回火工藝路線材料性能未得到有效發(fā)揮，零件在使用中存在不確定性。

圖3 淬火工藝曲線

2.3 2種熱處理技術(shù)對(duì)比

為獲取3Cr13鋼最佳熱處理工藝路線及工藝參數(shù)，對(duì)2種熱處理狀態(tài)下的零件開(kāi)展了相關(guān)的力學(xué)測(cè)試及金相組織檢測(cè)，檢測(cè)分為2組:一組用實(shí)際在某型小口徑艦炮上的3Cr13鋼小型、薄壁零件開(kāi)展;另一組用標(biāo)準(zhǔn)試樣開(kāi)展。

圖4 回火工藝曲線

在用實(shí)際零件進(jìn)行的檢測(cè)中，取試樣20件(高溫回火試樣16件，低溫回火試樣4件)，對(duì)其中5件進(jìn)行了化學(xué)成分分析(見(jiàn)表3)［4］，均滿(mǎn)足GB1220—2007中規(guī)定3Cr13鋼成分要求，熱處理后表面均無(wú)脫碳層。從表4中可以看出，被測(cè)試零件基體組織主要為回火托氏體、保留馬氏體向的回火托氏體和回火索氏體。從斷口微觀形貌分析(如圖5所示)，高溫回火試件斷口以沿晶為主，為偏脆性斷口;低溫回火試件以韌窩為主，為韌性斷口。由于零件形狀不規(guī)則，無(wú)法進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

表3 3Cr13鋼的化學(xué)成分(%)

在用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行的檢測(cè)中，取試樣10件(高溫回火試樣8件，低溫回火試樣2件)，標(biāo)準(zhǔn)試樣化學(xué)成分滿(mǎn)足GB1220—2007中規(guī)定3Cr13鋼成分要求，熱處理后表面均無(wú)脫碳層。從表5中可以看出，斷口高溫回火試件斷口以沿晶為主，為偏脆性斷口;低溫回火試件斷口微觀形貌以韌窩為主，屬韌性斷口，如圖6所示。

圖5 以沿晶為主斷口微觀形貌照片

圖6 以韌窩為主斷口微觀形貌照片

從表6標(biāo)準(zhǔn)試樣熱處理后的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析，2種熱處理狀態(tài)下的材料在抗拉強(qiáng)度、條件屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和硬度等指標(biāo)上，達(dá)到GB/T 1220—2007中3Cr13鋼的力學(xué)性能指標(biāo)，但在沖擊功方面，2種熱處理狀態(tài)差異較大，高溫回火狀態(tài)下的材料沖擊功低于指標(biāo)，且有明顯的規(guī)律性，說(shuō)明在回火溫度為520～560℃時(shí)，材料的耐沖擊韌性低，與理論分析結(jié)論較為吻合，對(duì)沖擊韌性有較高需求的應(yīng)用，應(yīng)避免使用高溫回火。

表4 3Cr13鋼實(shí)際零件熱處理后的晶相及硬度

表5 3Cr13鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣熱處理后的晶相

表6 3Cr13鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣熱處理后的力學(xué)性能

3 結(jié)束語(yǔ)

3Cr13鋼是價(jià)格低廉的不銹鋼，主要用于高硬度，同時(shí)要求耐腐蝕的條件下。該鋼在艦炮中有著廣泛的應(yīng)用，包括基礎(chǔ)受力構(gòu)件及各型對(duì)防腐有要求的零件，為艦炮在高濕、高鹽霧的海洋環(huán)境中保持高可靠性發(fā)揮著重要作用。不同的熱處理工藝雖然使材料在性能上有一定的差異，這也是為了在特定的環(huán)境中為發(fā)揮材料的某一項(xiàng)性能而采取的措施。

［1］胡志忠.鋼及其熱處理曲線手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

［2］李惠忠.鋼鐵金相學(xué)與熱處理常識(shí)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1978.

［3］南京晨光機(jī)器廠理化室.2Cr13與3Cr13鋼熱處理與抗蝕性的關(guān)系［Z］.南京:南京機(jī)械，1975.

［4］GB/T 1220—2007，不銹鋼棒［S］.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Analysis on 3Cr13 Steal Heat Treatment Process in Using a Type of Naval Gun

YANG Li－qiang，LIRui
(Chongqing Bureau of Navy Equipment Depatement，Chongqing 400023，China)

Heat treatment is a traditional technology to improve performance ofmetalmaterial，the enviromment of using of naval gun give the highest requirement on 3Cr13 steal performance.In this article，by comparing the two process of heat treatment，through analysis ofmico structure，in the end，getting the best parameter and method.

naval gun;3Cr13 steal;heat treatment;technology analysis

:A

1006－0707(2014)07－0103－04

format:YANG Li－qiang，LIRui.Analysis on 3Cr13 Steal Heat Treatment Process in Using a Type of Naval Gun［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):103－106.

本文引用格式:楊立強(qiáng)，李睿.3Cr13鋼在某型艦炮應(yīng)用中的熱處理工藝分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(7):103－106.

10.11809/scbgxb2014.07.029

2014－03－10

楊立強(qiáng)(1973—)，男，工程師，主要從事火炮監(jiān)造工作。

TG162.2