鍛造Cr13Ni4鋼回火工藝與逆變奧氏體及性能的關系研究

郭秋娟 孫麗坤 樊翔宇 張國利 張海峰 慕傳友

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457；2.中國第一重型股份有限公司，黑龍江161042)

鑄造Cr13Ni4型馬氏體不銹鋼因其優良的鑄造和焊接性能、良好的強韌性及耐腐蝕性被廣泛應用于水輪機組件、閥體、核電站壓力容器及海上的鉆井平臺中[1～4]。鍛造通常能細化晶粒、改善成分偏析、顯著改善和消除鑄造缺陷，因此經鍛造的Cr13Ni4馬氏體不銹鋼的性能更加優良，應用前景更加廣闊。另外，此鋼種的一個特點是，逆變奧氏體的含量對其綜合性能影響很大[1，4]。本文利用熱膨脹儀、X射線衍射儀(XRD)、力學性能試驗等對鍛造Cr13Ni4馬氏體不銹鋼中逆變奧氏體與回火工藝及性能之間的關系進行了研究，可為生產中制定合理的熱處理工藝提供理論指導。

1 試驗材料及方法

試驗材料取自電爐加爐外精煉的鋼錠，經過鍛造成形后，再進行鍛后及性能熱處理。

首先對試料進行1 020℃正火處理；然后進行一次回火，回火溫度從570℃到690℃，空冷；接著對經過570℃到630℃之間一次回火的試料分別進行570℃和590℃二次回火。為驗證逆變奧氏體的穩定性，本實驗利用XRD對590℃和610℃回火冷卻前后的試樣進行逆變奧氏體含量的測定。

2 實驗結果與分析

2.1 正火組織

利用XRD對試樣中逆變奧氏體的含量進行測定。結果表明，經1 020℃正火的試樣中全部為馬氏體相，沒有殘余奧氏體相，即后續回火過程產生的奧氏體均為逆變奧氏體。

2.2 一次回火溫度對鋼中逆變奧氏體含量的影響

此鋼逆變奧氏體含量及洛氏硬度隨一次回火溫度的變化趨勢如圖1所示?？梢钥闯觯S著一次回火溫度的升高，鋼中逆變奧氏體的含量先升高后降低最后降至0；與之相對應的是，材料的硬度值先降低后升高，在逆變奧氏體含量達到最高時，材料的硬度值達到谷值。這說明此Cr13Ni4馬氏體不銹鋼中的逆變奧氏體存在失穩現象，即隨著回火溫度的升高，位于回火馬氏體板條間的高溫逆變奧氏體不穩定，冷卻時部分或全部轉變成了淬火馬氏體[3]。二次回火溫度須低于此失穩溫度，因為新生成的馬氏體使材料在服役條件下不穩定，同時這種硬脆相也惡化材料的韌性[4]。

圖1 逆變奧氏體含量及硬度與一次回火溫度的關系Figure 1 The relationship of reversed austenite content and hardness with the first tempering temperature

2.3 逆變奧氏體失穩溫度的測定

利用XRD對590℃和610℃回火冷卻前后的試樣進行逆變奧氏體含量的測定，結果見表1。從表中可以看出，試樣在590℃回火時，試樣冷卻前后材料中的逆變奧氏體含量基本一樣；而試樣在610℃回火時，其逆變奧氏體含量在冷卻前比冷卻后要高得多，這一現象說明材料在610℃回火時生成的逆變奧氏體在降溫過程中部分失穩，發生馬氏體相變，而590℃ 時生成的奧氏體則可以穩定存在。因此逆變奧氏體穩定存在的溫度應不高于590℃。

表1 不同溫度回火冷卻前后試樣中逆變奧氏體含量Table 1 The content of reversed austenite of samples prior and after cooling

2.4 二次回火溫度對鋼中逆變奧氏體含量的影響

一次回火和不同溫度下二次回火的Cr13Ni4型馬氏體不銹鋼逆變奧氏體含量如圖2所示。由圖可以看出，適當的二次回火后，逆變奧氏體的含量比一次回火后顯著增加。這是由于一次回火產生的彌散分布的新生馬氏體顯著增加了新生馬氏體、回火馬氏體及逆變奧氏體之間的界面，即增加了二次回火時逆變奧氏體的形核位置，使得逆變奧氏體的含量增加[2]。另外，在相同的一次回火溫度下，隨著二次回火溫度的升高(在失穩溫度以下)，逆變奧氏體含量也逐漸升高，因為回火溫度越高，馬氏體向逆變奧氏體轉變的驅動力越大。

圖2 不同回火工藝對鋼中逆變奧氏體含量的影響Figure 2 The influence of tempering process on the content of reversed austenite in tested steel

2.5 回火工藝對材料力學性能影響

圖3為回火溫度與此Cr13Ni4馬氏體不銹鋼強度、塑性及韌性的關系曲線，圖中570℃、590℃表示二次回火溫度。可以看出，當材料的二次回火溫度一定時，隨著一次回火溫度的升高，材料的強度和硬度均有很小幅度降低；而塑性和韌性則相反，這是回火溫度的升高和逆變奧氏體含量的先升高后降低兩方面綜合作用的結果。

另外，由圖2和圖3可以看出，在相同的一次回火溫度下，二次回火溫度越高，即逆奧含量越高，雖材料硬度和沖擊韌性有很小幅度降低，但材料的強度和塑性越來越好，即綜合性能提高。

圖3 回火溫度對強度、塑性及韌性的影響Figure 3 The influence of tempering temperature on material strength, plasticity and toughness

綜合以上所有分析可見，逆變奧氏體含量在10%左右時，材料的綜合性能較好。

3 結論

(1)高溫存在的逆變奧氏體存在失穩現象，即回火溫度超過590℃時，在冷卻過程中逆變奧氏體會發生馬氏體轉變，二次回火溫度須低于失穩溫度。

(2)合適的二次回火可大大提高逆變奧氏體的含量；在相同的一次回火溫度下，二次回火(低于失穩溫度590℃)溫度越高，逆奧含量越高。

(3)逆變奧氏體含量在10%左右時，材料的綜合性能較好。

[1] Friis W L, Noren T M I. US Pat 3378367，1968.

[2] Bilmes P D, Solari M, Llorente C L. Mater Charact, 2001(46): 285.

[3] 王培等.金屬學報.2008(44): 681.

[4] Gesnouin C, Hazarabedian A, Bilmes P, Llorente C. Corros Sci, 2004(46): 1633.