等温退火工艺对2Cr13钢组织及其性能的影响

李于朋， 李 宁， 郝恩喜， 萨仁格日乐，李洪杰， 车乾铭

（1.长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室，吉林长春 130012; 2.沈阳科金特种材料有限公司，辽宁沈阳 110101）

0 引 言

2Cr13钢是一种马氏体不锈钢，在室温下的平衡组织是由铁素体加碳化物组成。在淬火状态下因为其具有硬度高、耐蚀性良好等特点，应用范围特别广泛[1-6]。但此钢在普通退火过程中，以缓慢冷却来保证奥氏体在珠光体区上部转变，并依靠控制冷却速度来控制转变的过冷度，因此工件内外冷却速度不同，越靠近心部，冷却速度越慢，转变温度就越高，退火硬度越低，故经常出现工件内外部组织和性能不均匀，普通退火冷却时间太长，生产效率低。近年来，等温退火工艺以精确控制等温温度以及等温时间，准确控制转变的过冷度，实现等温组织转变并大大缩短工艺周期等优点，使其得到广泛应用[7-8]。文中采用常规退火处理和等温退火处理对2Cr13钢进行处理，并对两种退火工艺的金相组织和力学性能进行了测试和讨论。

1 试验材料和方法

试验用钢为2Cr13，主要化学成分见表1。

表1 2Cr13钢主要化学成分（质量分数） %

制取2Cr13试样，其中，金相观察试样尺寸为20 mm×20 mm×8 mm;加工标准拉伸试样，试样厚度为8 mm，平行段宽度为20 mm;加工标准U型缺口冲击试样。将试样分为两组，分别进行常规退火处理和等温退火处理，并对两种工艺处理后的试样进行淬火处理。常规退火工艺为680℃×4 h炉冷至350℃后空冷;等温退火工艺为1 000℃×4 h风冷至660℃×8 h后空冷;淬火工艺统一为1 000℃×3 h油冷，650℃×3 h水冷。

将以上热处理工艺后的金相观察试样制备金相试样，采用OLYMPUS GX51型光学金相显微镜对其退火组织和正火组织进行观察，使用WDW200型电子拉伸试验机对以上淬火后的拉伸试样进行拉伸性能测试，采用JBS-300型冲击试验机对淬火后的冲击试样进行冲击试验。

2 试验结果及其分析

常规退火工艺和等温退火工艺热处理后的金相照片分别如图1和图2所示。

图1 2Cr13常规退火后组织图（×200）

图2 2Cr13等温退火后组织图（×200）

从图1和图2中可以看出，等温退火比普通退火组织更均匀，更接近平衡组织。

2Cr13两种退火工艺处理后经淬火处理后的金相照片分别如图3和图4所示。

图3 2Cr13普通退火后淬火组织图（×200）

图4 2Cr13等温退火后淬火组织图（×200）

从图3和图4更是可以直接看出，在组织都几乎是马氏体的前提下，等温退火后再进行淬火获得的组织其晶粒度更细小。

热处理后金相的晶粒度级别对照见表2。

众所周知，晶粒度大小在一定范围内，晶粒越细小，晶界面积就越大，晶界面积的增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。晶界是裂纹扩展的阻力，晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中，所以细化晶粒能大大地提高材料的强度和韧性。反之，并不是晶粒越细小越好，晶界是缺陷聚集区，当晶粒过于细小以后，其缺陷表现出来的机械性能就会大幅度下降。出现这种晶粒细小的根本原因在于，通过珠光体等温转变，在珠光体相区形成大量的高浓度碳聚集区，即难溶解的高熔点碳化物在晶界大量的析出。在淬火过程中，这些难溶解的高熔点碳化物由于很难在奥氏体化过程中完全溶解，高熔点碳化物就形成了奥氏体再结晶的晶核。新生成的奥氏体晶粒以这些碳化物为质点，优先成核，生成全新的奥氏体晶粒，分解了原有组织晶粒，进而细化了原有奥氏体晶粒，从而最终获得了较细的淬火组织。

表2 金相晶粒度结果对照

将拉伸试样和冲击试样进行热处理后做力学性能试验，其结果见表3。

表3 2Cr13不同退火制度和相同淬火条件下室温力学性能结果对照表

从表3可以看出，经过等温退火的材料较之常规退火工艺，在同样淬回火条件下，等温退火工艺的 Rp0.2较常规退火值提高了 10%，达到了682.658 MPa，断裂伸长率和断面收缩率分别达到了21.35%和71.325%，抗拉强度可达到850 MPa以上，冲击功Aku2值提高了21.8%，达到75.5 J。由此可以看出，通过等温退火后，2Cr13钢的强韧性都得到了不同幅度提高，说明等温退火提高了材料的强韧性，对于材料的预处理有非常积极的意义。

当然，并不是大多数材料都可以采用等温退火处理来达到细化晶粒的目的。对于一些耐热钢以及含有大量的合金元素的钢种来说，由于合金元素众多，在连续冷却过程中，推迟了珠光体等组织转变，故而C曲线转变比较靠后。由于其连续冷却过程中不存在珠光体等中间过渡组织，这样高温奥氏体在此停留随时间推移只能转变为较为稳定的低温奥氏体。这样的奥氏体一旦稳定以后，其组织较难分解，且对材料本身强韧性没有帮助，所以，这类钢种即使采用等温退火也得不到中间过渡组织，也就很难得到细化的晶粒。实际生产中，考虑到大锻件的最后锻造过程中停锻温度较高，故可以利用锻后余热来直接实现等温退火，这样大大节省了企业生产成本，并且提供了较为稳定的母材原始组织。

3 结 语

1）2Cr13钢等温退火后能较快获得平衡组织，淬火能获得较细的淬火组织，对于晶粒细化有一定作用。

2）2Cr13钢等温退火后经淬火处理，各项力学性能均优于常规退火工艺，屈服强度和冲击韧性得到不同幅度的提高。

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