奧氏體化工藝對30Cr13鋼淬火后的組織和硬度的影響

喬曉燕 賴承班 陳 卓 閔永安

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海雙立人亨克斯有限公司，上海 201112）

30Cr13鋼是馬氏體不銹鋼，熱處理后可獲得較高的硬度和良好的耐蝕性，廣泛用于制作刀剪等［1-6］。30Cr13鋼低溫淬火可獲得細(xì)小的馬氏體組織，制作的刀具或其他零件韌性較好，但耐蝕性較差；高溫淬火加熱時(shí)奧氏體中能固溶更多的合金元素，生產(chǎn)的刀具硬度高且耐蝕性好［7-8］，但熱處理畸變較大。

本文研究了某刀具企業(yè)產(chǎn)品用30Cr13鋼的奧氏體化溫度和時(shí)間對其淬火后組織和硬度的影響，以期優(yōu)化30Cr13鋼產(chǎn)品的熱處理工藝，在保證產(chǎn)品性能的前提下，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為2 mm厚的30Cr13冷軋鋼卷，其化學(xué)成分見表1。試樣尺寸為10 mm×5 mm×2 mm。

表1 試驗(yàn)用30Cr13鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the 30Cr13 used for test（mass fraction）%

利用DIL805A熱膨脹相變儀進(jìn)行了3組淬火試驗(yàn)，第1組奧氏體化時(shí)間為8 min，奧氏體化溫度分別為930、980、1 030、1 080和1 130℃。第2組奧氏體化溫度為980℃，保溫時(shí)間分別為1、3、8和30 min。第3組奧氏體化溫度為1 080℃，保溫時(shí)間分別為1、3、8和30 min。加熱速率為10℃ ／s，以30℃／s的速率冷卻至室溫。試驗(yàn)過程中，相變儀自動記錄試樣膨脹量隨溫度的變化，據(jù)此采用極值法確定馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）。

金相試樣采用苦味酸酒精溶液浸蝕，在OLYMPUS BX51M金相顯微鏡上觀察其顯微組織。采用MH-50型顯微硬度計(jì)測量試樣硬度，試驗(yàn)力為200 g，至少測5個(gè)點(diǎn)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 淬火膨脹曲線

3組30Cr13鋼試樣奧氏體化后冷卻過程中的膨脹量（長度變化）隨溫度的變化如圖1所示。在以30℃／s的速率冷卻過程中均只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在930℃奧氏體化8 min后淬火，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms最高；隨著奧氏體化溫度的提高，Ms點(diǎn)明顯下降；1 130℃淬火的鋼的Ms點(diǎn)降至200℃以下。

為使圖形更為直觀，對圖1（b，c）中膨脹量變化曲線進(jìn)行了平移，此處不同溫度的膨脹量數(shù)值無可比性。由圖1（b，c）可知，在980和1080℃奧氏體化1 min，Ms點(diǎn)溫度最高；隨著奧氏體化時(shí)間的延長，Ms點(diǎn)下降，奧氏體化30 min的試樣Ms點(diǎn)溫度最低。從980℃淬火的試樣的Ms點(diǎn)均為300℃左右；從1 080℃淬火，試樣的Ms點(diǎn)均降至250℃以下。

圖1 30Cr13鋼試樣在不同溫度奧氏體化8 min（a）和980（b）、1 080℃（c）奧氏體化不同時(shí)間后冷卻過程中長度隨溫度的變化Fig.1 Length of 30Cr13 steel samples as a function of temperature during cooling subsequent to austenitizing at different temperatures for 8 min（a），and to austenitizing at 980（b）and 1 080℃（c）for different times

圖2更清晰地顯示出了奧氏體化工藝對30Cr13鋼Ms點(diǎn)的影響。從980℃提高到1 080℃奧氏體化8 min淬火，Ms點(diǎn)從308℃降至207℃；1 130℃奧氏體化后淬火，Ms點(diǎn)則降至196℃，如圖2（a）所示。在980和1 080℃奧氏體化后冷卻，Ms點(diǎn)的變化趨勢基本一致，如圖2（b）所示。保溫1～8 min淬火，Ms點(diǎn)的下降幅度較保溫8～30 min淬火的大，且1 080℃保溫8～30 min淬火的試樣的Ms點(diǎn)降幅明顯較980℃奧氏體化后淬火的試樣小。

圖2 奧氏體化溫度（a）和保溫時(shí)間（b）對30Cr13鋼Ms點(diǎn)的影響Fig.2 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on Mspoint of 30Cr13 Steel

2.2 顯微組織

圖3為在不同溫度奧氏體化8 min淬火后試樣的顯微組織。可見，30Cr13鋼試樣中的碳化物隨著淬火溫度的升高而減少。930、980℃淬火的組織中仍有大量未溶顆粒狀碳化物。1 080℃淬火的組織中碳化物十分細(xì)小，呈黑色點(diǎn)狀。1 130℃淬火的組織中幾乎沒有碳化物。低于1 030℃淬火的組織為隱晶馬氏體。1 080℃淬火的馬氏體板條長約22 μm；1 130℃淬火后奧氏體晶粒明顯長大，直徑一般為40～60 μm，部分晶粒大于100 μm。

圖3 30Cr13鋼在不同溫度奧氏體化8 min淬火后的顯微組織Fig.3 Microstructures of 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for 8 min then quenched

30Cr13鋼于980、1 080℃保溫不同時(shí)間后淬火的顯微組織如圖4所示。980℃淬火的組織均為隱晶馬氏體，基體中有大量二次碳化物。即使在該溫度保溫30 min，淬火后基體中仍有較多的二次碳化物，如圖4（d）所示。1 080℃淬火的組織中碳化物隨著保溫時(shí)間的增加明顯減少，保溫30 min時(shí)，碳化物大部分溶于基體。1 080℃淬火的組織隨著保溫時(shí)間的增加發(fā)生明顯變化，即從隱晶馬氏體（見圖4（e））到粗大的板條馬氏體（見圖4（h））；其晶粒尺寸隨著保溫時(shí)間的增加而增大，大致為12 μm→22 μm→30 μm→35μm（圖4（e～h））。

圖4 30Cr13鋼在980℃奧氏體化1（a）、3（b）、8（c）、30 min（d）和在1 080℃奧氏體化1（e）、3（f）、8（g）、30 min（h）淬火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the 30Cr13 steel austenitized at temperature of 980℃for 1（a），3（b），8（c）and 30 min（d）and austenitized at temperature of 1 080℃for 1（e），3（f），8（g），and 30 min（h）then quenched

2.3 硬度

上述試樣的硬度如表2所示。硬度隨奧氏體化溫度和時(shí)間的變化如圖5所示。圖5（a）表明：奧氏體化溫度從930℃提高至1 030℃，硬度從463 HV0.2大幅度提高至642 HV0.2；奧氏體化溫度從1 030℃提高至1 130℃，硬度略有提高。圖5（b）表明，980和1 080℃奧氏體化淬火的試樣硬度均隨保溫時(shí)間的增加而提高。980℃奧氏體化淬火后的硬度隨保溫時(shí)間的變化比1 080℃奧氏體化的更為顯著。980℃奧氏體化淬火的試樣硬度均低于600 HV0.2，1 080℃保溫1 min淬火的試樣硬度為636 HV0.2。

圖5 奧氏體化溫度（a）和保溫時(shí)間（b）對30Cr13鋼硬度的影響Fig.5 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on hardness of the 30Cr13 steel

表2 在不同溫度奧氏體化不同時(shí)間后淬火的30Cr13鋼的硬度Table 2 Hardness of the 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for different times then quenchedHV0.2（HRC）

3 討論

3.1 Ms點(diǎn)溫度與淬火硬度

圖6是采用JMatPro軟件按表1成分計(jì)算的30Cr13鋼的熱力學(xué)平衡相圖。在平衡狀態(tài)下，30Cr13鋼中碳化物為M23C6和M7C3，兩者完全溶解于奧氏體的溫度分別為1 019和1 030℃。一般認(rèn)為，冷軋30Cr13鋼卷接近平衡狀態(tài)，因此鋼中碳化物主要是M23C6和少量M7C3。從圖6可見，理論上當(dāng)加熱溫度超過800℃時(shí)，M23C6開始溶解。因此奧氏體化溫度從930℃提高至1 080℃，碳化物溶解量增加。由于碳化物溶入奧氏體是一個(gè)動力學(xué)過程，依賴于碳在奧氏體中的擴(kuò)散，實(shí)際加熱過程中碳化物的溶解過程滯后于熱力學(xué)相圖。

圖6 30Cr13鋼的熱力學(xué)平衡相圖Fig.6 Thermodynamic equilibrium phase diagram of the 30Cr13 steel

因此，930～1 080℃加熱保溫8 min淬火，隨著M23C6的溶解，Ms點(diǎn)從344℃降至207℃，且高于1 030℃奧氏體化的Ms點(diǎn)，由于M7C3溶解，Ms點(diǎn)降幅增大。1 080℃奧氏體化，大部分碳化物溶解。1 130℃奧氏體化，溶入奧氏體的碳化物較1 080℃略有增加，但奧氏體晶粒明顯長大，晶體缺陷減少，馬氏體形成時(shí)的切邊阻力減小［8］，有利于馬氏體轉(zhuǎn)變，在這兩個(gè)因素綜合作用下Ms點(diǎn)略有下降。

930～1 130℃保溫8 min奧氏體化淬火的鋼的硬度變化規(guī)律（圖5（a））與Ms點(diǎn)變化規(guī)律不完全一致，盡管兩者均與碳化物的溶解即合金元素在基體中的固溶度密切相關(guān)。1 030、1 080和1 130℃奧氏體化淬火的硬度相差不大，均約645 HV0.2。這表明，從高于1 030℃的溫度淬火的鋼，殘留奧氏體量增加、晶粒長大導(dǎo)致的硬度降低基本抵消了合金元素固溶量增加產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)。

1 030℃以上溫度奧氏體化，碳化物溶解速度顯著加快，保溫時(shí)間對Ms點(diǎn)和硬度的影響沒有低于1 030℃奧氏體化時(shí)那么明顯。980℃奧氏體化，即便保溫30 min，鋼的Ms點(diǎn)也高于1 080℃保溫1 min奧氏體化的Ms點(diǎn)，硬度低于后者。

總之，奧氏體化溫度對30Cr13鋼Ms點(diǎn)和硬度的影響最為顯著。較低溫度930～1 030℃奧氏體化時(shí)，保溫時(shí)間對鋼的Ms點(diǎn)和硬度有顯著影響；高于1 030℃奧氏體化，保溫時(shí)間的影響則明顯較小。

3.2 淬火工藝

為便于討論，按GB／T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》將維氏硬度轉(zhuǎn)換為洛氏硬度。980℃保溫1、3、8和30 min淬火的鋼硬度分別為48.8、48.8、51.2和53.9 HRC（見表3）。而1 080℃保溫1～8 min淬火后的硬度均達(dá)到57 HRC以上，保溫30 min淬火的硬度高于58 HRC。根據(jù)刀剪的使用性能要求，還可通過回火使其硬度降低1～3 HRC。

采用保護(hù)氣氛爐或真空爐對30Cr13鋼刀具進(jìn)行淬火加熱時(shí)，考慮到裝爐量和爐溫均勻性，宜采用較低（980～1 030℃）的奧氏體化溫度和較長（30～90 min）的保溫時(shí)間。而采用網(wǎng)帶爐、步進(jìn)式爐等連續(xù)式爐進(jìn)行熱處理時(shí)，由于刀具加熱較均勻，宜采用1 080℃保溫5～8 min的奧氏體化工藝，以便在確保淬火質(zhì)量的前提下提高生產(chǎn)率、降低熱處理成本。

4 結(jié)論

（1）30Cr13鋼于980～1 030℃奧氏體化8 min淬火，其硬度隨著奧氏體化溫度的提高而迅速提高；在1 030～1 130℃奧氏體化8 min淬火，其硬度隨著奧氏體化溫度的提高略有增加。

（2）980℃奧氏體化30 min淬火的鋼的硬度約為576 HV0.2；1 080℃奧氏體化8 min淬火的鋼的硬度可達(dá)650 HV0.2左右。

（3）在保證30Cr13刀具熱處理質(zhì)量的前提下，采用網(wǎng)帶爐、步進(jìn)式等連續(xù)式爐進(jìn)行熱處理時(shí)，可選用較高的奧氏體化溫度（＞1 030℃）和較短的保溫時(shí)間（5～8 min），以提高生產(chǎn)率。