3Cr13钢在某型舰炮应用中的热处理工艺分析

杨立强，李睿

(海装重庆局，重庆400023)

【化学工程与材料科学】

3Cr13钢在某型舰炮应用中的热处理工艺分析

杨立强，李睿

(海装重庆局，重庆400023)

热处理是提升金属材料性能的传统而成熟的工艺，而舰炮使用环境对3Cr13不锈钢材料提出了极高的性能要求，基于现有设备及工艺，通过理论分析及研究对象在不同热处理工艺下的性能对比，从金属组织上进行技术分析，从而获取最佳工艺方法和参数。

舰炮;3Cr13不锈钢;热处理;工艺研究

炮由于长期工作在高湿、高盐雾的恶劣环境中，机械零件除要求有较高的机械性能外，对不易防护及有特殊要求的零件，要求材料有较强的抗腐蚀性能。3Cr13钢属马氏体类型不锈钢，机械加工性能好，经热处理后具有较好的表面抗氧化性能和较好的机械性能，因此某型小口径舰炮的多个零件材料选用3Cr13不锈钢，以防止零件的锈蚀和氧化，保证舰炮在恶劣环境下的可靠性和功能。而3Cr13钢的热处理对其力学性能和防腐性能有较大影响，因此需要根据材料的特点选用合理的工艺路线，以提升材料性能，满足使用需求。

1 3Cr13钢与热处理工艺相关的成分及性能分析

1.1 3Cr13钢的化学成分

3Cr13不锈钢属铬13型不锈钢，含C量为0.3%左右(化学成分表3)，含Cr量为13%左右，在加热和冷确时具有α⇆γ的相变，因此可以用热处理的方法在比较宽的范围内改善它们的机械性能。3Cr13钢完全退火后，硬度低且耐腐蚀性低，这是因为在退火的钢中存在大量的碳化铬，这不仅使固溶体中的铬含量降低，并且碳化铬与基体构成许多微电池，故加速了钢的腐蚀。而淬火状态3Cr13钢，由于基体组织是马氏体，大量的铬与碳被保持在马氏体中，不仅硬度高而且耐腐蚀性也高，因此为了保证3Cr13钢有高的耐腐蚀性，须经淬火和回火后使用［1－3］。

1.2 3Cr13钢的机械性能

热处理后的3Cr13钢具有高硬度的特点，从表1及表2可以看出其机械性能在不同热处理状态下有较大的差异［1，4］。

表1 GB/T 1220—2007中3Cr13钢的机械性能

表2 3Cr13钢不同热处理后的机械性能

2 3Cr13钢的热处理分析

2.1 3Cr13钢的通用热处理技术分析

淬火时，由于3Cr13钢含碳量较高，为保证碳化物充分溶解而得到较高的硬度，淬火温度应高些(见表3)，但如果淬火温度过高(超过1050℃)，晶粒显著长大，硬度下降(见图1)［3］，回火时碳化物的析出过程强烈使钢的耐腐蚀性降低。由于Cr13型不锈钢导热性低，淬火时应缓慢加热或经过预热再加热至淬火温度。

回火时，由于淬火钢中有较大的应力，必须及时进行回火(见图2)，大型及形状复杂零件，淬火与回火时间间隔最好不要超过8 h，在特殊情况下不能立即进行回火时，应将先淬完火的零件放在低温炉中等温，待具备条件时再升至规定的回火温度进行回火。Cr13型不锈钢的回火方式通常有2种，要求高的硬度时采用200～300℃低温回火，得到回火马氏体组织，此时由于大量的铬元素仍保持在固溶体中，因此在保证较高硬度的同时，耐腐蚀性能也比较高。第二种回火是在600～750℃范围内进行，此时淬火马氏体完全分解为回火索氏体，可以获得较好的强度与韧性的配合。并且由于回火温度高，合金元素的扩散比较容易进行，使固溶体重新获得铬浓度的平衡。由于3Cr13钢含碳量较高，高温回火时碳化物的析出也会增加，为了获取更好性能，3Cr13钢通常采取低温回火。由于3Cr13钢中因为含有大量铬，回火稳定性比较高，回火时间应比一般钢长些，通常低温回火时间更应比高温回火时间长些，一般保湿2～4 h。

3Cr13钢具有回火脆性倾向，但不如一般合金结构钢那么明显。在400～600℃范围内回火，由于析出弥散度很高的碳化物，不仅耐腐蚀性降低，并且冲击韧性也比较低，因此一般不采用这个温度区间回火。

图1 3Cr13钢淬火温度与硬度的关系

2.2 3Cr13钢的实际热处理工艺分析

3Cr13钢在某型舰炮的应用中，有不同使用状态的多个零件，实际的热处理工艺也有2种，一种是真空炉淬火(600～650℃预热20～30 min后，980～1 000℃加热30～45 min，油冷)加高温回火(520～560℃保温60～90 min)，另一种是真空炉淬火(条件同上)加低温回火(240～300℃保温60～90 min)，2种工艺的差别只在回火温度不同(见图3、图4)。根据3Cr13钢在该型炮上的使用需求，需要较好的机械性能，即具有较高的硬度和较好的耐冲击韧性，同时需要其具备较高的防腐蚀性能，即在热处理工艺选取时，需要在达到该材料最佳机械性能和最好防腐性能间综合选择，较合理的工艺应是在1 000℃左右淬火，200～300℃低温回火。从实际选取的工艺参数上看，低温回火工艺路线与理论上达到材料最佳性能的工艺要求吻合，而高温回火的工艺路线，回火温度为520～560℃，刚好在碳化物高析出的温度区间内，且在此温度区间内，3Cr13钢硬度下降快，度控制难度大(见图2)，硬度、强度和耐腐蚀性均处于较低状态。经分析得知，采用高温回火工艺路线材料性能未得到有效发挥，零件在使用中存在不确定性。

图3 淬火工艺曲线

2.3 2种热处理技术对比

为获取3Cr13钢最佳热处理工艺路线及工艺参数，对2种热处理状态下的零件开展了相关的力学测试及金相组织检测，检测分为2组:一组用实际在某型小口径舰炮上的3Cr13钢小型、薄壁零件开展;另一组用标准试样开展。

图4 回火工艺曲线

在用实际零件进行的检测中，取试样20件(高温回火试样16件，低温回火试样4件)，对其中5件进行了化学成分分析(见表3)［4］，均满足GB1220—2007中规定3Cr13钢成分要求，热处理后表面均无脱碳层。从表4中可以看出，被测试零件基体组织主要为回火托氏体、保留马氏体向的回火托氏体和回火索氏体。从断口微观形貌分析(如图5所示)，高温回火试件断口以沿晶为主，为偏脆性断口;低温回火试件以韧窝为主，为韧性断口。由于零件形状不规则，无法进行力学性能测试。

表3 3Cr13钢的化学成分(%)

在用标准试样进行的检测中，取试样10件(高温回火试样8件，低温回火试样2件)，标准试样化学成分满足GB1220—2007中规定3Cr13钢成分要求，热处理后表面均无脱碳层。从表5中可以看出，断口高温回火试件断口以沿晶为主，为偏脆性断口;低温回火试件断口微观形貌以韧窝为主，属韧性断口，如图6所示。

图5 以沿晶为主断口微观形貌照片

图6 以韧窝为主断口微观形貌照片

从表6标准试样热处理后的力学性能测试数据分析，2种热处理状态下的材料在抗拉强度、条件屈服强度、伸长率、断面收缩率和硬度等指标上，达到GB/T 1220—2007中3Cr13钢的力学性能指标，但在冲击功方面，2种热处理状态差异较大，高温回火状态下的材料冲击功低于指标，且有明显的规律性，说明在回火温度为520～560℃时，材料的耐冲击韧性低，与理论分析结论较为吻合，对冲击韧性有较高需求的应用，应避免使用高温回火。

表4 3Cr13钢实际零件热处理后的晶相及硬度

表5 3Cr13钢标准试样热处理后的晶相

表6 3Cr13钢标准试样热处理后的力学性能

3 结束语

3Cr13钢是价格低廉的不锈钢，主要用于高硬度，同时要求耐腐蚀的条件下。该钢在舰炮中有着广泛的应用，包括基础受力构件及各型对防腐有要求的零件，为舰炮在高湿、高盐雾的海洋环境中保持高可靠性发挥着重要作用。不同的热处理工艺虽然使材料在性能上有一定的差异，这也是为了在特定的环境中为发挥材料的某一项性能而采取的措施。

［1］胡志忠.钢及其热处理曲线手册［M］.北京:国防工业出版社，1986.

［2］李惠忠.钢铁金相学与热处理常识［M］.北京:冶金工业出版社，1978.

［3］南京晨光机器厂理化室.2Cr13与3Cr13钢热处理与抗蚀性的关系［Z］.南京:南京机械，1975.

［4］GB/T 1220—2007，不锈钢棒［S］.

(责任编辑杨继森)

Analysis on 3Cr13 Steal Heat Treatment Process in Using a Type of Naval Gun

YANG Li－qiang，LIRui
(Chongqing Bureau of Navy Equipment Depatement，Chongqing 400023，China)

Heat treatment is a traditional technology to improve performance ofmetalmaterial，the enviromment of using of naval gun give the highest requirement on 3Cr13 steal performance.In this article，by comparing the two process of heat treatment，through analysis ofmico structure，in the end，getting the best parameter and method.

naval gun;3Cr13 steal;heat treatment;technology analysis

:A

1006－0707(2014)07－0103－04

format:YANG Li－qiang，LIRui.Analysis on 3Cr13 Steal Heat Treatment Process in Using a Type of Naval Gun［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):103－106.

本文引用格式:杨立强，李睿.3Cr13钢在某型舰炮应用中的热处理工艺分析［J］.四川兵工学报，2014(7):103－106.

10.11809/scbgxb2014.07.029

2014－03－10

杨立强(1973—)，男，工程师，主要从事火炮监造工作。

TG162.2