热处理对1Cr13Ni马氏体不锈钢组织与性能影响

■刘珊，张莉，丁志敏，谢成

马氏体不锈钢1Cr13Ni含有较高的C元素，可通过热处理工艺的调质处理，达到强度、硬度和冲击韧度的提高，是一种综合力学性能较佳的钢种。该钢经调质处理后，具有较高的强度、韧性和良好的减震性，适用于制造在腐蚀介质和冲击载荷条件下工作的零件，如发动机连接管及安装边等。材料的使用状态组织为回火索氏体，既具有良好的减震性，又具有较高的强度韧性配合。提高和改善该钢的力学性能将直接影响工件的力学性能和使用寿命，因此热处理工艺对该钢的正常使用起着非常重要的作用。为此，本文讨论了热处理工艺对1Cr13Ni马氏体不锈钢组织和性能的影响。

一、试验材料与方法

1. 试验材料

试验材料为退火态马氏体不锈钢1Cr13Ni，化学成分见表1。

2. 试验方法

对试样进行以下三种方案处理：

（1）淬火处理 选取3组试样，淬火温度分别为900 ℃、950℃、1000℃，冷却方式为油冷，试样编号为1#、2#、3#。检查淬火后组织。对不同淬火温度试样（1#、2#、3#）进行回火，回火温度550℃，回火时间3h，检查回火后组织与力学性能。

（2）淬火+回火处理 选取8组试样，淬火温度950℃，淬火冷却方式为油冷，分别从低温到高温进行回火，回火温度为500～610℃，回火冷却方式均为空冷。试样编号分别为4#～12#，检查室温拉伸性能、冲击韧度、硬度及显微组织。

（3）淬火+回火处理 选取24组试样，淬火温度950℃，淬火冷却方式为油冷，分别从低温到高温进行回火，回火温度550～610℃，分别选取不同的回火时间（2h、3h、4h、5h）对棒料回火，回火冷却方式为空冷。检查试样室温拉伸性能和硬度。

表1 试验材料的化学成分（质量分数） （%）

二、结果与讨论

1. 淬火温度对1Cr13Ni组织及力学性能的影响

利用光学显微镜对方案1的淬火试样进行分析，试样的金相显微组织如图1所示，试样回火后组织如图2所示，性能如表2所示。

依据相图计算，1Cr13 Ni材料的完全奥氏体化温度为918℃。从图1观察可知，3组试样淬火后组织为残留奥氏体和马氏体，1#、2#晶粒度为9～10级，3#晶粒度6级；1#淬火组织中存在大量碳化物，2#淬火组织中碳化物含量大规模减少，3#淬火组织中碳化物完全融入基体。这是因为900℃的淬火温度过低，奥氏体化不完全，残留的碳化物随着淬火过程保留在基体中，在随着奥氏体化温度升高至950℃，奥氏体晶粒有所长大，碳化物大部分溶入基体中，淬火后为均匀的淬火马氏体和少量的碳化物。当淬火温度升高至1000℃时，碳化物完全溶入基体，奥氏体晶粒粗大。从表2可知1#、2#、3#三组样品采用相同回火温度、回火时间处理后抗拉强度存在明显差异，其中经过950℃淬火后抗拉强度和硬度较900℃、1000℃淬火+回火后样品高。因此，950℃淬火后组织更优，回火后强度高。

图1 1Cr13Ni马氏体不锈钢不同温度淬火后显微组织

图2 1Cr13Ni马氏体不锈钢不同温度淬火+550℃回火后显微组织

表2 900℃、950℃、1000℃淬火+550℃×3h回火后抗拉强度及硬度

2. 回火温度对1Cr13Ni棒料组织及力学性能的影响

利用光学显微镜对方案2的淬火+回火试样进行分析，试样的金相显微组织如图3所示，力学性能试验结果如图4所示。

分析图3可以发现，回火温度在500～610℃时，试样组织均为回火索氏体+碳化物+铁素体，晶粒等级在8～9级。

从图4可以得出，经过回火后，材料强度和硬度曲线变化趋势一致，说明该材料的强度和硬度有着良好的对应关系，在500～560℃时，随温度升高，材料强度和硬度下降较快，这是由于随着回火温度升高，基体析出的弥散分布碳化物聚集长大，对位错的钉扎作用减弱，材料的强度、硬度下降。进一步升高回火温度，在560～610℃下，由于碳化物进一步长大，材料的强度和硬度继续下降，韧性提高；同时由于回火温度的提升，马氏体和残留奥氏体的转变已经趋于完全，故此阶段强度、硬度的下降幅度明显减小，回火温度高于580℃之后，强度、硬度和冲击韧度趋于稳定。

回火温度在500～520℃时，材料的冲击韧度升高，继续提高回火温度至540℃左右时，冲击韧度显著降低，出现明显的回火脆性倾向。这是因为在该温度范围回火时，Cr、Ni元素在板条间和晶界上偏析，同时，还促使其他杂质元素偏聚在晶界，降低钢的韧性，该回火脆性区为可逆回火脆性区。现有文献未见对国产该材料的回火脆性进行研究报道，因此本试验是对1Cr13Ni不锈钢热处理数据的一个很好补充，为该材料的热加工提供参考。

图4 回火温度对1Cr13Ni力学性能的影响

图5 回火保温时间对1Cr13Ni力学性能的影响

3. 回火时间对1Cr13Ni力学性能影响

对方案3的24组试样进行淬火+回火，试样进行力学性能试验，结果如图5所示。

图5中，1Cr13Ni马氏体不锈钢的室温抗拉强度和硬度随回火保温时间延长而降低，硬度和抗拉强度的下降呈现良好的对应关系。同时，下降趋势随着温度升高而降低。当回火温度超过580℃，随回火时间延长，抗拉强度和硬度基本趋于稳定。可认为当回火温度超过580℃时，回火2h后材料的组织已经稳定。

三、结语

（1）随着淬火温度从900℃提高至1000℃，淬火后组织存在差异，经回火后1Cr13Ni马氏体不锈钢力学性能存在先升后降的现象，为了得到较好的组织与性能，淬火温度应选择950℃为宜。

（2）为了得到较高的强度、硬度及韧性组合，1Cr13Ni马氏体不锈钢的最终热处理工艺为淬火+高温回火。经过该热处理工艺的金相组织为索氏体组织，晶粒度为8～9级。

（3）1Cr13Ni马氏体不锈钢回火时有明显的回火脆性现象，在520～560℃温度区间冲击韧度显著下降，因此该材料的热处理应该避免在这个温度区域回火。