热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响.pdf

收件日期 2006 12 28 作者简介 张平 硕士 主任工程师 1996年北京科技大学钢铁冶金系毕业 2005年重庆大学材料工程硕士毕业 现供职于攀长钢钢管公司 联 系电话热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响 张平1 周上祺2 1 攀钢集团四川长城特殊钢公司钢管公司 四川 江油621701 2重庆大学材料工程学院 重庆400000 摘 要 选取Cr13型不锈钢小型材为研究对象 主要针对碳和热处理制度对钢材组织和性能的影响进行了研 究 对生产实践具有重要指导意义 关键词 Cr13型不锈钢 热处理 组织 性能 Effect of Heat Treatment Process on Structure and Property of Cr13 Stainless Steel Zhang Ping1 Zhou Shangqi2 1 Sichuan Great Wall Steel Pipe Co Ltd Pangang Group 2 Chong Qing University College of Material Science and Engineering Abstract According to the key research project of our company the small sections of stainless steel Cr13 was selected as the object of the study In this paper the effect of carbon content and heat treatment process on the structure and property was re2 searched which is significant for the production practice Key Words Cr13 stainless steel Heat treatment process Structure Property 引 言 随着现代工业和科学技术的迅速发展 用户对 不锈钢数量需求日益增加的同时 也对其使用性能 提出了更高的要求 Cr13型不锈钢系马氏体不锈 耐热钢 在淬火 回火后使用具有较好的耐蚀性 热 强性和冲击韧性 但此钢种大多只有在经热处理 后才能正确使用 对于许多再加工用户来说 热处 理无疑是摆在面前的一道难题 因此 攀长钢公司 提出以2Cr13为主要研究对象 主要通过实验室热 处理工艺研究 讨论其强韧性搭配的最佳工艺 摸 索出Cr13型不锈钢材综合性能达到最优的热处理 制度 同时运用到大生产实际当中去 为提供符合 用户近终使用状态的产品打下坚实的基础 并将科 技成果转化为经济效益 1 Cr13型不锈钢的组织和性能 1 1 试验用料 选用1Cr13 2Cr13和3Cr13三种钢材进行试验 其化学成分见表1 1 2 热处理工艺 根据文献中对Cr13型不锈钢的热处理工艺研 表1 试料的化学成分 wt Table 1 Chemical compositions of test steels wt 生产 卡号 钢种 规格 mm 化 学 成 分 CMnSiPSCr 04A24831Cr13 160 120 340 330 022 0 021 12 13 04A24752Cr13 160 210 370 480 020 0 012 12 65 04A24762Cr13 160 180 440 520 020 0 007 12 27 04A24983Cr13 150 270 440 270 022 0 029 12 65 注 其中除04A2483卡号的1Cr13是由模铸钢锭生产外 其余均 由连铸坯生产 究 可以知道 在不同热处理状态下 得到的组织有 着明显的区别 机械性能也随之而发生较大变化 本次试验的目的是为大生产提供工艺参考 必须将 铬不锈钢的组织 机械性能变化规律摸索出来 因 此在考虑试验方案的时候 重点是确定淬火 回火 工艺制度 1 2 1 淬火制度的制定 1 7 淬火的加热温度和迅速冷却都是淬火工艺的 关键所在 对于Cr13型不锈钢而言 淬火温度有着 至关重要的作用 淬火温度的高低对回火后钢材的 冲击韧性影响较大 相关资料 4 对Cr13型不锈钢 的热处理工艺也作了详细说明 2Cr13不锈钢采用 在Ac3附近950 淬火 回火后与1 000 淬 回火 第13卷 总第52期 2007年第3期 特钢技术 Special Steel Technology Vol 13 52 2007 No 3 后比较 两者强度 塑性指标几乎处于同一水平 但 前者减弱了回火脆化倾向 提高了冲击韧性 同 时 2Cr13不锈钢在950 淬火 可以减少淬火设备 因高温工作而出现的维修费用 并降低了能耗 节 省了工时 可以获得一定的社会效益和经济效益 另一方面 2Cr13不锈钢在950 淬火 回火后可以 获得5 10 的铁素体 提高了铁素体抗5 NaCl 盐雾腐蚀能力 从抗腐蚀能力上讲也有一定益处 因此经过综合考虑 将Cr13型不锈钢的淬火温度定 在950 比较合适 至于冷却方式 通常情况下以快冷 水冷 较为 适宜 但由于钢材试样直径较小 10 mm 采用空 冷就能够完全满足冷却速度要求 1 2 2 回火制度的制定 1 5 7 10 淬火后的回火就是消除残余应力和增强钢的 韧性 淬火后的马氏体和残余奥氏体是不稳定的 组织 通过回火处理后的马氏体组织转变为回火马 氏体 回火屈氏体和回火索氏体组织 以达到所要 求的组织和各项力学性能指标 这与回火温度的高 低和回火时间关系很大 表2 回火硬度试验工艺方案 Table2 Process plan of tempered hardness test 试验 号 试样 编号 淬火 温度 不同组别回火温度 04A2483 1Cr13 04A2475 2Cr13 04A2476 2Cr13 04A2498 3Cr13 11 2 23 4 35 6 47 8 510 11 612 13 714 15 816 17 918 19 1020 21 1122 23 1224 25 1326 27 1428 29 1530 31 1632 33 1734 35 1836 37 1938 39 2040 41 2142 43 2244 45 2346 47 950 300 350 400 450 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 620 640 660 680 700 720 740 750 表3 冲击试验工艺方案 Table 3 Process plan of impact test 试验 号 试样 编号 淬火 温度 不同组别回火温度 04A2483 1Cr13 04A2475 2Cr13 04A2476 2Cr13 04A2498 3Cr13 11 2 3 24 5 6 37 8 10 411 12 13 514 15 16 617 18 19 720 21 22 823 24 25 926 27 28 1029 30 31 1132 33 34 1235 36 37 1338 39 40 950 300 350 400 500 520 540 560 580 600 630 660 700 750 为体现回火不同阶段的组织形态区别及回火 脆性发生阶段 特选择300 750 区间回火 冷却制度上 为了避免600 以上高温回火后产 生脆性 9 10 均采用回火后快冷 即水冷 方式 至于保温时间 由于试样直径较小 保温时间2 h 已经足够 1 2 3 热处理工艺的确定 综上所述 试样的热处理工艺为 950 淬火 保温30 min 空冷 300 750 回火2 h 水冷 本次试验分四个卡号分别做4组 每组在同一 回火温度下选择多个试样 回火硬度试验为2个 回火0 冲击韧性试验为3个 具体方案见表2 3 1 3 金相组织及力学性能 1 3 1 金相组织的检验 金相试样的制备 将冲击试验所用的试样的非 冲击变形面进行磨制 抛光后加工成金相组织的检 验试样 金相组织的显示 用盐酸酒精溶液与苦味酸酒 精溶液混合后侵蚀 金相组织的观察及金相照片的拍摄在奥林巴 斯 OLY MPUS GX71 倒置式金相显微镜上进行 由于不同的组织有不同的金相特征 对于Cr13 型不锈钢而言 在同等淬火条件下 回火温度对其 组织影响极大 这种影响可以通过硬度 低温冲击 韧性等指标表征出来 根据不同回火温度对硬度 和低温冲击韧性的作用分析 主要存在三个变化区 间 即 300 500 500 550 550 750 因此选取在四个典型回火温度 400 21 特钢技术 第13卷第3期 500 550 750 下试验对金相组织进行观察 以达到进一步解释硬度和冲击韧性变化的趋势性 行为 图1 12分 别 是 三 个 卡 号 04A2483 04A2475 04A2498 的试样1Cr13 2Cr13 3Cr13经四 个典型温度回火后的金相照片 热处理制度为 950 保温30 min 空冷 回火保温2 h 水冷 31 2007年第3期 张平 周上祺 热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响 1 3 2 力学性能的测定 根据试验内容要求 将测定回火后的HB和Akv 值 注 Akv值测定温度为0 所加工的冲击试样为10 10 55 mm V型缺口 试样 这里需要对冲击韧性测定温度加以说明 通常 41 特钢技术 第13卷第3期 表4 不同卡号的回火硬度平均值 Table 4 Average values of tempered hardness of samples with different serial numbers 试验 号 试样 编号 回火 温度 硬度平均值 HB 04A2483 1Cr13 04A2475 2Cr13 04A2476 2Cr13 04A2498 3Cr13 11 2300362416426432 23 4350372429432438 35 6400385423447432 47 8450378429438447 510 11500390433450447 612 13510393445444438 714 15520388432423438 816 17530358420432435 918 19540280337376357 1020 21550283320337317 1122 23560262305321317 1224 25570254291319288 1326 27580236305285280 1428 29590247284293281 1530 31600235262280276 1632 33620220254270260 1734 35640240273278281 1836 37660228248257252 1938 39680219237248241 2040 41700216229245227 2142 43720209219231219 2244 45740191200214205 2346 47750202195230204 图13 碳含量和回火温度对钢材的硬度影响曲线 Fig 13 Curve of effects of carbon content and tempered temperature on the hardness 情况下实验室均采用25 室温测定 但由于攀长钢 公司生产提供的大多数Cr13型不锈钢都要求在低 温 0 及以下 下使用 因此本次试验选取0 作 为回火后冲击韧性检验温度 根据试验结果 将不同C含量的Cr13型不锈钢 棒材在不同回火温度下的硬度平均值和0 冲击平 均值计算出来 如表4和表5所示 同时由硬度平 均值作出碳含量和回火温度对钢材硬度影响的变化 曲线图 如图13所示 由冲击平均值作出碳含量和 回火温度对钢材0 冲击值影响的变化曲线图 如 图14所示 表5 不同卡号的回火冲击平均值 0 Table 5 Average values of tempered impact value of samples with different serial numbers 0 试验 号 试样 编号 回火 温度 0 Akv冲击平均值 J 04A2483 1Cr13 04A2475 2Cr13 04A2476 2Cr13 04A2498 3Cr13 11 2 330039192415 24 5 635038202315 37 8 1040039202015 411 12 1350016 138 514 15 1652013 107 617 18 195402112117 720 21 2256046151312 823 24 2558084192015 926 27 28600111222117 1029 30 31630119 2919 1132 33 34660122393826 1235 36 37700 147827934 1338 39 40750注 表中 为材料无测定数据 属试样加工不好所致 图14 碳含量和回火温度对钢材的0 冲击值影响曲线 Fig 14 Curve of effect of carbon content and tempered temperature on impact value at 0 2 结果分析和讨论 2 1 Cr13型不锈钢的金相组织 图1 12分别是1Cr13 2Cr13 3Cr13三个钢种 51 2007年第3期 张平 周上祺 热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响 的试样经四个典型温度回火后的金相照片 热处理 制度为 950 保温30 min 空冷 回火保温2 h 水 冷 从金相照片中不难看出 四个卡号的Cr13型不 锈钢虽然C含量不同 但经同等热处理后的金相组 织却很相似 仅仅在碳化物析出的数量和大小上有 一定的区别 在400 500 550 三个典型温度下回火 的金相组织显示 在这个区间范围内回火所得到的 金相组织为典型的回火屈氏体组织 其组织特征是 在铁素体基体内分布着细小的粒状碳化物 唯一的 区别是 在400 回火后 由于温度较低 析出的碳 化物较少 而当回火温度升高到500 时 析出的较 多且弥散 当回火温度进一步升高到550 时 所析 出的碳化物明显长大增粗 在750 典型温度下回 火的金相组织显示 在这个温度左右回火所得到的 金相组织为典型的回火珠光体组织 其组织特征是 由等轴铁素体和粒状碳化物构成的复相组织 而且 碳化物颗粒已明显粗化 与球化退火组织相近 11 通过上述分析 形象直观地反映了回火过程中 组织的变化规律 2 2 碳与Cr13型不锈钢回火硬度的关系 如图13所示 本次试验用四个卡号的Cr13型 不锈钢经同样的热处理条件下所得到的硬度变化曲 线的趋势是完全一致的 唯一的区别在于碳含量较 高的Cr13型不锈钢在同等条件下的硬度稍高 从 图13中 可以明显看出 如果将1Cr13回火硬度曲 线在Y轴上向上做垂直移动 将和2Cr13回火硬度 曲线完全重合 但是2Cr13 3Cr13的回火硬度曲线 却是异常的接近 几乎无法明确区分 显然 碳含量 的高低对回火硬度有一定的影响 但这种影响并不 完全是与碳含量的上升成正比 它还要受Cr含量的 影响 2 3 回火温度对Cr13型不锈钢回火硬度的影响 Cr13型不锈钢回火硬度的变化趋势如图13所 示 在300 500 之间 硬度变化不大 略有上升 并且在500 左右达到最大值 在500 550 之 间 硬度随着回火温度的升高下降较快 在550 750 之间 硬度随回火温度的升高进一步下降 从图13可知 在不考虑碳含量的影响前提下 Cr13型不锈钢的回火硬度曲线都有着同样的变化 趋势 因此任意选取2Cr13回火变化曲线作为研究 对象 来分析和讨论Cr13型不锈钢在不同回火温度 阶段的硬度变化特点及原因 如图13所示 在300 500 回火温度范围 内 2Cr13试样经回火处理后 硬度几乎没有什么大的 变化 不但没有下降 反而略有升高 正如前面所述 在这个温度区间里 该钢种处于残余奥氏体转变期 间 一方面 由于合金元素Cr的大量加入 提高了钢 的回火稳定性 12 14 增强了钢的抗回火软化能力 导 致试样经300 以上回火 硬度仍然没有下降 另一 方面 由于在500 左右范围内回火时 淬火钢中的 残余奥氏体分解为 相和合金碳化物 Cr 7C3 13 14 17 这种在较低温下析出的合金碳化物是细小 弥散的 因此导致了弥散强化 即产生了一定的二次硬化作 用 15 17 从而使硬度略有增加 在回火硬度曲线上则 体现出硬度峰值 HB450 的出现 随着回火温度的升高 在回火温度超过500 以后 合金元素Cr的扩散能力加强 合金碳化物聚 集长大 弥散强化效果减弱 所以回火硬度开始下 降 当回火温度达到550 时 合金碳化物 Cr 7C3 迅速长大 导致回火硬度直线下降至 HB320 在回 火硬度曲线上则体现出一个坡度很陡的拐点 当回火温度进一步升高 达到550 以上时 钢 中合金碳化物聚集长大的速度更快并且球化 弥散 强化的作用逐渐减小直至消失 因此回火硬度进一 步下降 在回火硬度曲线上则体现出逐渐下降的规 律 硬度的最小值为750 回火时的 HB320 但下 降的幅度不如550 时回火那样大 2 4 碳对Cr13型不锈钢回火韧性的影响 碳含量对Cr13型不锈钢的回火韧性的影响如 图14所示 钢中的碳含量对Cr13型不锈钢的回火 韧性影响较大 这点与回火硬度的变化规律并不一 致 本次试验用四个卡号的Cr13型不锈钢经同样 的热处理条件下所得到的冲击韧性变化曲线的趋势 基本一致 但是碳含量的高低对回火韧性的的影响 却十分显著 基本上 在同等热处理条件下 回火韧 性的好坏同钢中的碳含量成反比 下面就这种变化 趋势加以分析和讨论 从图14可知 由于卡号为04A2475 04A2476的 2Cr13试样碳含量比较接近 分别为0 21 0 18 经同等热处理条件下 回火韧性曲线基本重合 具有相 同的变化规律 而卡号为04A2498的3Cr13试样碳含 量为0 27 相对2Cr13较高 回火韧性曲线在2Cr13下 方运行 卡号为04A2483的1Cr13试样碳含量为0 12 回火韧性曲线却在2Cr13上方运行 这种变化说明 在 同等热处理条件下 碳含量的升高明显降低了钢材的 冲击韧性 尤其是低温冲击韧性 这是因为碳含量高 61 特钢技术 第13卷第3期 的不锈钢在回火过程中析出的碳化物相应较多 而这 种碳化物脆性较大 从而降低了钢材的韧性 尤其对低 温韧性伤害较大 综上所述 可以得出这样的结论 在同等热处理 条件下 Cr13型不锈钢回火韧性随着碳含量的增加 而下降 2 5 回火温度对Cr13型不锈钢的回火韧性的影响 如图14所示 四个卡号的Cr13型不锈钢都出 现了不同程度的回火脆性 18 20 由于第二类回火 脆性 19 20 的产生 使得Cr13型不锈钢在500 回 火时产生了韧性值突然下降的现象 导致低温冲击 值在500 540 范围内出现了一个低谷 究其 原因 在这个温度区间内 相对碳钢而言 Cr13型不 锈钢中的合金元素Cr要高得多 正是由于合金元 素Cr的大量加入 使得在500 540 温度区间 内 Cr元素与钢中的杂质元素P S As Te Sn等混 合作用促使杂质元素在晶界上偏聚 从而导致了回 火脆性的产生 从图14可知 在不考虑碳含量影响的因素下 Cr13型不锈钢回火韧性曲线都有着同样的变化趋 势 为了便于分析 同样选取2Cr13回火变化曲线 作为研究对象 来分析和讨论Cr13型不锈钢在不同 回火温度阶段的韧性变化特点及原因 在300 500 范围内回火时 由于2Cr13钢 中的碳含量较低 所以淬火组织中存在大量的位错 在不超过300 低温回火时 位错并不消失 同时在 外力作用下 位错尚有一定的迁移能力 使钢不易产 生裂纹 因此钢的韧性较高 而在300 以上回火 时 从马氏体中析出碳化物 增加了位错移动的困 难 导致韧性有所下降 所以在300 500 范 围内回火时 2Cr13的回火韧性值略有下降 在500 540 范围内回火时 由于受到回火脆 性的影响 2Cr13的回火韧性值出现了一个低谷 在540 750 范围内回火时 伴随着回火脆性 的减弱乃至消失 由于回火后采用水冷 避免了回火脆 性 由于合金碳化物的不断长大 球化以及 相的回 复和再结晶 18 19 导致了韧性值的不断提高 2 6 Cr13型不锈钢材的综合机械性能 本课题的另一个重要目的是通过实验室研究 确定Cr13型钢材的强韧性最佳配合的热处理工艺 为逐步运用于大生产打下基础 研究确保钢材在规 定交货状态下的使用性能 由于我公司向发电厂供货较多 大多数发电厂 喜欢用2Cr13钢材制作发电机组 且对钢材的力学 性能要求很苛刻 所以我们以三峡发电机组用钢 ASTM A276Gr 420作为讨论对象 来研究强韧性配合 的最佳热处理工艺 ASTM A276标准中对三峡发电 机组用圆钢的订货技术条件如表6所示 表6 马氏体不锈钢的力学性能要求 Table 6 Specified mechanical property of martensitic stainless steel 材料名称 0 2 MPa b MPa 5 0 AK V J 平均值 最小值 ASTMA276Gr 420 640790 930 14 20 6 由表6的技术条件要求可知 其强度要求并不 是越高越好 而是在一个范围之内 790MPa 930MPa 为了便于分析 依然选取2Cr13回火变化曲线作为 参考 通过硬度 强度换算 要保证抗拉强度在规定 范围之内 则必须将回火硬度控制在HB 238 278 区间范围 从图13可以显见 为达到上述要求 回 火温度变化范围为600 700 另一方面 由 于该钢材对低温 0 冲击值有特殊要求 所以在 兼顾抗拉强度的同时 必须特别注重回火韧性的讨 论 由图14可知 要保证回火低温韧性达到要求 则回火温度只能在300 350 区间内变化或者 高于600 综上所述 既要保证钢材的强度 又要 保证材料的低温韧性 那么使之达到强韧性配合的 回火温度范围应该是600 700 以上是实验室研究得出的结论 在工业生产中 究竟采用什么样的回火温度 才能达到最佳热处理 效果呢 很有必要在600 700 回火温度范围 内寻求一个最佳温度 作为工业生产的回火热处理 温度 由图13可知 由于强度同硬度值成正比关 系 可以得出这样的结论 在600 700 回火区 间内 强度随温度的升高而降低 要达到最高强度 即回火温度应在600 10 左右 然而由图14 得到的结论却是 在600 700 回火区间内 韧 性指标Akv 0 随温度的升高而提升 并在700 附近达到最高值80 J左右 综合考虑 要达到最佳 强 韧性配合 不能仅考虑钢材的强度 而牺牲其韧 性 反之亦不行 因此建议在650 左右回火 在这 一温度下 强度和韧性都不是最高值 但却达到了较 好的强 韧性配合 实现了最终目的 但是这里需要 注意的是 在考虑强韧性配合的另一个重要因素是 钢材的使用条件 例如 对低温使用要求较高的钢 材 在考虑强 韧性的最佳搭配的时候 更多的考虑 应在于钢材的低温冲击韧性 下转第24页 71 2007年第3期 张平 周上祺 热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响 升到1 180 403Nb钢抗拉强度提高19 4 屈服 强度提高24 7 塑性稍有下降 冲击吸收功下降 了147 J 4 2 奥氏体晶粒长大 由于固溶温度升高 合金碳 化物回溶更充分 在回火过程中析出更多的沉淀相 因此随固溶温度升高 虽晶粒长大 但强度提高 4 3 固溶温度较低时冲击断口为韧性断裂 较高时 为脆性断裂 参考文献 1 李惠琳 赵中平 国产AISI403叶片钢的性能与应用 J 机械工 程材料 1989 6 28 32 2 S K ocanda Fatigue failure of metals M 上海科学技术出版社 1983 197 209 3 雍岐龙 钢铁中的第二相 M 北京 冶金工业出版社 2006 6 18 4 吴承建 陈国良 强文江 金属材料学 M 北京 冶金工业出版 社 2005 14 15 上接第17页 即可以适当地提高回火温度到660 甚至更高 3 结 论 本文通过实验室试验研究 并且结合大生产具 体情况分析探讨了碳和热处理制度对Cr13型不锈 钢材组织和性能的影响 最后得出以下结论 1Cr13 2Cr13和3Cr13三种不锈钢 在相同的 条件下淬回火后 其金相组织基本相同 在400 550 回火时为屈氏体组织 750 回火为珠光体组 织 随着碳含量的增加 渗碳体相也相应增加 随着碳含量的增加 Cr13型不锈钢的回火硬 度相应增加 而回火韧性则相应下降 Cr13型不锈钢淬火后回火 随着回火温度的 增加 硬度相应增加 并在500 510 达到极大 值 当回火温度进一步升高时 硬度逐渐降低 Cr13型不锈钢在同等淬火条件下 在300 500 这个区间内回火韧性随着回火温度的升高 略有降低 在500 540 区间内由于回火脆性 的影响 回火韧性出现最低值 而在540 750 区间内由于回火脆性的消失 回火韧性又随温度的 升高有所上升 根据不同使用条件 在考虑钢材所需的最佳 强 韧性配合要求时 除了避免在500 540 区 间内回火外 还必须注意不能单独为了强度或者韧 性指标选取回火区间 如对低温使用要求较高的钢 材 在考虑强韧性的