锻造Cr13Ni4钢回火工艺与逆变奥氏体及性能的关系研究

郭秋娟 孙丽坤 樊翔宇 张国利 张海峰 慕传友

(1.天津重型装备工程研究有限公司，天津 300457；2.中国第一重型股份有限公司，黑龙江161042)

铸造Cr13Ni4型马氏体不锈钢因其优良的铸造和焊接性能、良好的强韧性及耐腐蚀性被广泛应用于水轮机组件、阀体、核电站压力容器及海上的钻井平台中[1～4]。锻造通常能细化晶粒、改善成分偏析、显著改善和消除铸造缺陷，因此经锻造的Cr13Ni4马氏体不锈钢的性能更加优良，应用前景更加广阔。另外，此钢种的一个特点是，逆变奥氏体的含量对其综合性能影响很大[1，4]。本文利用热膨胀仪、X射线衍射仪(XRD)、力学性能试验等对锻造Cr13Ni4马氏体不锈钢中逆变奥氏体与回火工艺及性能之间的关系进行了研究，可为生产中制定合理的热处理工艺提供理论指导。

1 试验材料及方法

试验材料取自电炉加炉外精炼的钢锭，经过锻造成形后，再进行锻后及性能热处理。

首先对试料进行1 020℃正火处理；然后进行一次回火，回火温度从570℃到690℃，空冷；接着对经过570℃到630℃之间一次回火的试料分别进行570℃和590℃二次回火。为验证逆变奥氏体的稳定性，本实验利用XRD对590℃和610℃回火冷却前后的试样进行逆变奥氏体含量的测定。

2 实验结果与分析

2.1 正火组织

利用XRD对试样中逆变奥氏体的含量进行测定。结果表明，经1 020℃正火的试样中全部为马氏体相，没有残余奥氏体相，即后续回火过程产生的奥氏体均为逆变奥氏体。

2.2 一次回火温度对钢中逆变奥氏体含量的影响

此钢逆变奥氏体含量及洛氏硬度随一次回火温度的变化趋势如图1所示。可以看出，随着一次回火温度的升高，钢中逆变奥氏体的含量先升高后降低最后降至0；与之相对应的是，材料的硬度值先降低后升高，在逆变奥氏体含量达到最高时，材料的硬度值达到谷值。这说明此Cr13Ni4马氏体不锈钢中的逆变奥氏体存在失稳现象，即随着回火温度的升高，位于回火马氏体板条间的高温逆变奥氏体不稳定，冷却时部分或全部转变成了淬火马氏体[3]。二次回火温度须低于此失稳温度，因为新生成的马氏体使材料在服役条件下不稳定，同时这种硬脆相也恶化材料的韧性[4]。

图1 逆变奥氏体含量及硬度与一次回火温度的关系Figure 1 The relationship of reversed austenite content and hardness with the first tempering temperature

2.3 逆变奥氏体失稳温度的测定

利用XRD对590℃和610℃回火冷却前后的试样进行逆变奥氏体含量的测定，结果见表1。从表中可以看出，试样在590℃回火时，试样冷却前后材料中的逆变奥氏体含量基本一样；而试样在610℃回火时，其逆变奥氏体含量在冷却前比冷却后要高得多，这一现象说明材料在610℃回火时生成的逆变奥氏体在降温过程中部分失稳，发生马氏体相变，而590℃ 时生成的奥氏体则可以稳定存在。因此逆变奥氏体稳定存在的温度应不高于590℃。

表1 不同温度回火冷却前后试样中逆变奥氏体含量Table 1 The content of reversed austenite of samples prior and after cooling

2.4 二次回火温度对钢中逆变奥氏体含量的影响

一次回火和不同温度下二次回火的Cr13Ni4型马氏体不锈钢逆变奥氏体含量如图2所示。由图可以看出，适当的二次回火后，逆变奥氏体的含量比一次回火后显著增加。这是由于一次回火产生的弥散分布的新生马氏体显著增加了新生马氏体、回火马氏体及逆变奥氏体之间的界面，即增加了二次回火时逆变奥氏体的形核位置，使得逆变奥氏体的含量增加[2]。另外，在相同的一次回火温度下，随着二次回火温度的升高(在失稳温度以下)，逆变奥氏体含量也逐渐升高，因为回火温度越高，马氏体向逆变奥氏体转变的驱动力越大。

图2 不同回火工艺对钢中逆变奥氏体含量的影响Figure 2 The influence of tempering process on the content of reversed austenite in tested steel

2.5 回火工艺对材料力学性能影响

图3为回火温度与此Cr13Ni4马氏体不锈钢强度、塑性及韧性的关系曲线，图中570℃、590℃表示二次回火温度。可以看出，当材料的二次回火温度一定时，随着一次回火温度的升高，材料的强度和硬度均有很小幅度降低；而塑性和韧性则相反，这是回火温度的升高和逆变奥氏体含量的先升高后降低两方面综合作用的结果。

另外，由图2和图3可以看出，在相同的一次回火温度下，二次回火温度越高，即逆奥含量越高，虽材料硬度和冲击韧性有很小幅度降低，但材料的强度和塑性越来越好，即综合性能提高。

图3 回火温度对强度、塑性及韧性的影响Figure 3 The influence of tempering temperature on material strength, plasticity and toughness

综合以上所有分析可见，逆变奥氏体含量在10%左右时，材料的综合性能较好。

3 结论

(1)高温存在的逆变奥氏体存在失稳现象，即回火温度超过590℃时，在冷却过程中逆变奥氏体会发生马氏体转变，二次回火温度须低于失稳温度。

(2)合适的二次回火可大大提高逆变奥氏体的含量；在相同的一次回火温度下，二次回火(低于失稳温度590℃)温度越高，逆奥含量越高。

(3)逆变奥氏体含量在10%左右时，材料的综合性能较好。

[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.金属学报.2008(44): 681.

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