淬火溫度對20Cr13鋼組織與性能的影響

侯遠濱 王鑫（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 渤海船舶重工有限公司，葫蘆島 125105）

20Cr13鋼在很多零部件上應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)上采用的熱處理工藝過程一般是980-1050℃淬火、620-680℃回火，此工藝經(jīng)常使力學(xué)性能指標(biāo)達不到設(shè)計要求，特別是沖擊韌性。因此在生產(chǎn)過程中需要多次返修處理才能達到技術(shù)條件要求，設(shè)計過程中也經(jīng)常改用高等級材料替代，從而增加成本。本文通過對20Cr13鋼采用亞溫淬火工藝，從而提高了綜合力學(xué)性能，特別是沖擊韌性。使其綜合機械性能提高15%以上，沖擊功提高20%以上，解決了沖擊韌性低的老問題，并且其耐蝕性保持不變。

1 試驗材料及試驗設(shè)備、試驗方法

1.1 試驗材料：試驗采用20Cr13鋼材料，其化學(xué)成分是：C 0.21%;Si0.86%;Mn0.73%;S0.025%;P0.030%;Cr13.2%,滿足GB/T20878-2007不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗設(shè)備、試驗方法：150KW井式淬火爐，120KW井式回火爐、室溫拉伸依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，在RSA250拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗（結(jié)果取3個試驗的平均值）；采用夏比U型標(biāo)準(zhǔn)（GB/T229-2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》）試樣，在JWB-300型沖擊試驗機上進行（結(jié)果取3個試驗的平均值）；使用Axiovert200MAT型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝及力學(xué)性能（如表1）。

表1 熱處理工藝及調(diào)質(zhì)力學(xué)性能

從表1可知，通過采用950℃×3h油冷+660℃×3.6h空冷的亞溫淬火工藝所得的力學(xué)性能，比采用980℃×3h油冷+680℃×3.6h空冷所得的綜合力學(xué)性能有很大提高，特別是沖擊功提高更為明顯。

2.2 金相組織

從圖1-圖4可以看出，通過采用940℃×3h油冷+660℃×4.5h空冷的亞溫淬火工藝所得的金相組織，比采用980℃×3h油冷+680℃×4.5h空冷所得的金相組織晶粒度更細小，沿晶界析出的碳化物及夾渣更少。

3 討論與分析

引起20Cr13鋼沖擊韌性低的原因是由于存在第二類回火脆性，也可稱回火脆性。發(fā)生在400-600℃之間[1]，在500-550℃之間表現(xiàn)最明顯。對回火脆性敏感的合金鋼，在這一溫度范圍內(nèi)等溫停留或自較高溫度緩慢冷卻經(jīng)過此溫度范圍時所引起[2]。

對第二類回火脆性形成的機理，人們已經(jīng)進行了長期的研究，提出了各種各樣的理論，但大量資料表明，晶界偏聚理論還是被人們所公認(rèn)。

第二類回火脆性的主要表現(xiàn)如下：

A、是一種晶界脆化，導(dǎo)致沿晶界脆斷。

B、脆化發(fā)生在一定的溫度范圍之內(nèi)。

C、脆化程度隨脆化時間延長而增加，脆化速度隨回火溫度下降而減慢。最大脆化程度則因溫度下降而升高。

D、脆化過程具有可逆性。

從以上四個主要現(xiàn)象看，第二類回火脆性的脆化過程必然是一個受擴散控制的發(fā)生在晶界的可逆過程，即溶質(zhì)原子在晶界偏聚與消失或脆性相沿晶屆析出或回溶[2]。那么引起偏聚的現(xiàn)象必然是有害雜質(zhì)元素，下面從晶粒學(xué)和力學(xué)角度看看其脆性本質(zhì)：

3.1 晶粒學(xué)本質(zhì)：通常2Cr13鋼淬火溫度在1050℃左右，隨著溫度的提高將增加回火脆性，這主要是由于加熱溫度升高晶粒增大，晶粒單位表面減少，界面能量降低，同時單位面積內(nèi)的雜質(zhì)含量增加，因此回火脆性加劇[2]。

3.2 力學(xué)本質(zhì)：主要是由于削弱了晶界的聯(lián)系，使正斷抗力降低，因而增加了脆斷傾向。回火脆性對鋼在室溫下的強度和塑性指標(biāo)沒有什么影響。但在塑性變形不易進行的條件下（如缺口，溫度），回火脆性很明顯。

圖1 A1-1×100倍

圖2 A1-1×500倍

圖4 B2-1×500倍

從產(chǎn)生第二類回火脆性的機理來看，回火脆性的產(chǎn)生主要是由于雜質(zhì)元素在晶界的偏聚與擴散。根據(jù)現(xiàn)有文獻[3]，對合金鋼而言，促進脆性元素可分為二類，第一類是p、s、sb、sn、As等雜質(zhì)元素，第二類是cr、Mn等合金元素，這二類元素單獨存在時均不引起回火脆性，必須是二者同時存在。

本項目通過采用940℃×3h油冷、660℃×4.5h空冷的亞溫淬火工藝，一是由于淬火溫度降低細化了晶粒增加了晶界的表面能。二是在加熱時存在未轉(zhuǎn)變的鐵素體存在，使第一類是p、s、sb、sn、As等雜質(zhì)元素在鐵素體中存在而不向晶界處聚集從而降低了回火脆性的產(chǎn)生，提高了沖擊韌性。

4 結(jié)語

4.1 采用940℃×3h油冷+660℃×4.5h空冷的亞溫淬火工藝，晶粒得到細化，可以避免脆性項的產(chǎn)生，力學(xué)性能滿足技術(shù)要求。

4.2 采用亞溫淬火工藝，綜合機械性能提高15%以上，沖擊功提高20%以上，解決了沖擊韌性低的老問題，金相達到技術(shù)要求，與原工藝組織具有同等耐蝕性的要求。

[1]樊東黎《熱處理工程手冊》機械工業(yè)出版社，2005:216-285.

[2]雷霆權(quán)等，《新工藝新方法》機械工業(yè)出版社，2000：96-106.

[3]王傳雅，《鋼的亞溫處理》中國鐵道出版社，2003：103-214.