提高閥門零件用20Cr13鋼韌性的工藝優化

　　摘要：采用光學顯微鏡、掃描電鏡等方法研究了不同淬火、回火溫度對 20Cr13 鋼常溫和 - 40 ℃沖擊性能的影響。 結果表明，當淬火溫度相同時，隨著回火溫度由 500 ℃升至 700 ℃ ，試樣的抗拉強度逐漸降低，沖擊性能先降低后升高;當淬火溫度由常規的 1030 ℃ 降低至 1000 ℃ ，回火溫度相同時，試樣的抗拉強度變化不大，但常溫和 - 40 ℃下的沖擊性能都有了一定的提高。

　　呂超君; 王健波; 張天德; 唐麗娜; 吳國華， 金屬熱處理 發表時間：2021-10-25

　　關鍵詞：20Cr13 鋼;淬火和回火溫度;沖擊性能;顯微組織

　　20Cr13 不銹鋼是一種綜合性能良好的馬氏體不銹鋼，它具有基本的耐蝕性，切削加工性能好，又能通過淬火、回火等熱處理進行強化，且價格低廉[1]，因此被廣泛應用于閥門零件的制造中。 本試驗鋼在生產中均采用 1030 ℃作為淬火溫度，經過不同溫度回火后，在硬度上完全可以達到所需的要求，但零件在常溫調試和低溫試驗時都出現了零件發生脆性斷裂的現象。閥門零件的工作溫度多在零下，文獻[2]指出，脆性斷裂的主要原因是金屬不能通過局部塑性變形來松弛裂紋尖端的應力以阻止裂紋的擴展。 應力松弛時間不足，裂紋就會迅速傳播，從而導致脆性斷裂。 由于應力松弛的速度隨著溫度的下降而減緩，因此低溫將促進脆性斷裂。 本文采用不同的淬火溫度對 20Cr13 不銹鋼進行了一系列熱處理工藝試驗，觀察熱處理后材料的力學性能及組織，探討淬火溫度對 20Cr13 不銹鋼常溫和低溫( - 40 ℃ )沖擊性能的影響，以確定合理的淬火溫度，從而提高材料的韌性。

　　1 試驗材料與方法

　　試驗采用直徑為 ?20 mm 的 20Cr13 不銹鋼棒料，原材料為軋態，其化學成分符合 GB / T 1220—2007《不銹鋼棒》的標準，具體成分見表 1。

　　在高溫箱式電阻爐(爐溫均勻性為 ± 10 ℃ )中進行淬火處理，淬火溫度分別選取 1000、1030 ℃ ，淬火保溫 35 min。 保溫結束后在淬火油中冷卻;淬火后的試樣分別在井式電阻爐(爐溫均勻性為 ± 10 ℃ )中進行500、530、560、580 及 700 ℃回火處理，回火保溫 75 min，保溫結束后油冷。 將回火后的試樣分別加工成拉伸試樣、沖擊試樣和金相試樣，進行力學性能、顯微組織的檢測。 其中拉伸試驗按 GB / T 228. 1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分 室溫試驗方法》 進行;沖擊試驗按照 GB / T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，分別在常溫及 - 40 ℃進行檢測;硬度檢測按照 GB / T 230. 1—2009 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第 1 部分：試驗方法》 進行。 將拋光好的試樣用4% 的硝酸酒精進行腐蝕，使用 Aro observer. D1m 倒置光學顯微鏡進行組織觀測。

　　2 試驗結果及分析

　　2. 1 淬火、回火溫度對力學性能的影響

　　表 2 給出了試樣分別在 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火、不同溫度回火后的力學性能。 由表2 可以看出，1000 ℃ 淬火后在不同溫度回火的試樣，與 1030 ℃淬火的試樣相比，強度變化趨勢相同，抗拉強度、屈服強度和硬度都隨著回火溫度的升高而降低，伸長率隨著回火溫度的升高而升高。 在 530、560、580 ℃ 回火時，1000 ℃ 淬火試樣的強度比 1030 ℃ 的略低，最大偏差為 57 MPa。回火溫度超過 500 ℃后，合金元素的擴散能力加強，合金碳化物聚集長大，彌散強化效果減弱，因此強度開始下降[3]。

　　表 2 還給出了試樣分別在 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火、不同溫度回火后，常溫和 - 40 ℃ 下的沖擊吸收能量數值。 由表 2 可以看出，1000 ℃ 淬火后在不同溫度回火的試樣，與 1030 ℃ 淬火的相比，沖擊吸收能量的變化趨勢相同，均出現了先降低后升高的現象。在 500 ～ 530 ℃ 時，由于材料回火脆性的影響，試樣沖擊吸收能量出現了低谷，而后隨著回火溫度的升高，回火脆性逐漸減弱，沖擊性能得到了提高。 這一現象符合文獻[4]對回火脆性的描述，將一定成分的淬火鋼在 350 ～ 550 ℃ 回火較長時間或慢冷通過這個溫度區時，鋼的韌性下降，出現脆性，這種現象稱為回火脆性。 當回火溫度達 700 ℃ 時，回火溫度遠離材料回火脆性區，試樣的沖擊吸收能量大幅度提高。

　　由表 2 可以明顯看出，1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火的試樣，抗拉強度、屈服強度、伸長率及硬度值都相差不大，但 1000 ℃淬火的試樣，其常溫和低溫的沖擊性能均高于 1030 ℃淬火的試樣。 由此可以得出，將淬火溫度由目前生產上常用的 1030 ℃ 降低至 1000 ℃ 時，抗拉性能及硬度仍能滿足設計要求，并且沖擊性能得到了一定的改善。

　　2. 2 淬火溫度對顯微組織的影響

　　試樣淬火后通過回火，馬氏體發生分解，經過 C、Cr 等元素的擴散、晶界遷移等階段，根據不同的回火溫度，形成不同的顯微組織。 圖 1(a)是 1000 ℃ 淬火、500 ℃回火試樣的顯微組織;圖 1(b)是 1030 ℃ 淬火、500 ℃回火試樣的顯微組織。 由圖 1 可以看出，在 500 ℃ 下回火，經過充分保溫，淬火組織發生轉變，馬氏體中過飽和的碳大部分溶解，形成了回火屈氏體。

　　由圖 1 可以明顯看出，1030 ℃ 淬火的試樣相較1000 ℃淬火的試樣來說，組織較粗大。 1000 ℃ 淬火時，由于淬火溫度較低，形成的奧氏體較小，淬火后，原奧氏體晶粒輪廓下的馬氏體組織也相對較小;1030 ℃ 淬火時，淬火溫度相對 1000 ℃提高 30 ℃ ，形成的組織也比 1000 ℃淬火時大，馬氏體片間距也大，粗大的組織降低了沖擊性能。 由于晶粒細小有提高強度的作用，所以當 1000 ℃淬火時，在提高韌性的同時，仍然可以使試樣的強度維持在和 1030 ℃淬火時相當的水平，這從表 2 中也可看出。

　　2. 3 淬火、回火溫度對沖擊斷口形貌的影響

　　圖 2 為 1000 ℃ 淬火，經 530、580、700 ℃ 回火后，試驗鋼在 - 40 ℃ 下進行沖擊試驗的試樣斷口形貌。由圖 2 可以看出，在相同的淬火溫度下，當回火溫度由530 ℃升高至 580 ℃ 時，回火脆性的影響逐漸減小，斷口形貌為由沿晶開裂過渡至沿晶斷裂 + 部分準解理;當回火溫度升高至 700 ℃ ，斷口已出現大量的準解理，韌性提高。 但由于 20Cr13 鋼在低溫環境下脆性較大，即使在 700 ℃ 回火時，斷口仍有部分沿晶斷裂形貌。

　　圖 3 為經 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火，分別在 530 ℃ 和 700 ℃回火后，試驗鋼在常溫下進行沖擊試驗的試樣斷口形貌。 由圖 3 可以看出，在 530 ℃回火時，由于處于回火脆性區，兩種淬火溫度下的試樣，斷口形貌均為沿晶斷裂，1000 ℃ 淬火試樣的斷口形貌較 1030 ℃ 相比，除沿晶斷裂外，還存在一定的準解理斷裂。 在700 ℃回火時，1030 ℃ 淬火試樣的斷口除沿晶斷裂外出現了大量準解理斷裂，而 1000 ℃ 下淬火的試樣，已為明顯的韌性斷裂，出現了大量的小而淺的韌窩。 韌窩的數量和尺寸能夠體現材料的韌性程度，韌窩越多、尺寸越大，說明材料的韌性越好。 由圖 3 及表 2 可以看出，試樣在室溫和低溫時的斷口形貌特征符合兩種淬火溫度下沖擊吸收能量的差別：在不同回火溫度下，1000 ℃淬火試樣的沖擊吸收能量均高于 1030 ℃ 淬火試樣的沖擊吸收能。 因此，將淬火溫度由 1030 ℃降低至 1000 ℃ ，可以提高 20Cr13 鋼在室溫和低溫下的韌性。

　　3 結論

　　1) 20Cr13 不銹鋼在 1000 ℃ 淬火、不同溫度回火后與 1030 ℃淬火、不同溫度回火后比較，兩者的強度水平相當。

　　2) 20Cr13 不銹鋼在 1000 ℃ 淬火、不同溫度回火后，常溫與 - 40 ℃ 的沖擊吸收能量均高于 1030 ℃ 淬火、不同溫度回火后的沖擊吸收能量。

　　3) 在兩種淬火溫度下，500 ～ 530 ℃ 左右回火的試樣沖擊吸收能量都比較低，應盡可能避開此溫度范圍回火。