热处理对不锈钢组织和性能的影响

阿斯米

   目前，家用刀具的主要材料有碳钢、弹簧钢和马氏体不锈钢等。3Cr13 和4Cr13 马氏体不锈钢是广泛使用的切削材料，这两种不锈钢的优点是耐蚀性好，但耐磨性差，使其锋利性保持时间短。这就要求开发具有成本效益的马氏体不锈钢材料。在此基础上，试验了马氏体不锈钢合理的热处理工艺体系。   为了开发高性价比的刀具材料，可采用微合金化结合优化热处理的方法开发具有更高性价比的新型刀具材料。因此，本文主要是对含V、Ti 的40Cr13钢进行热处理试验，通过对钢的组织和性能分析，确定试验钢的最佳热处理工艺，最终为40Cr13VTi 不锈钢刀具的热处理生产提供工艺参考。1试验材料与方法    40Cr13VTi 钢的化学成分( 质量分数，%) 为0.38C、1.5Si、0. 8Mn、13Cr、0.2Ti、0.2V、0.6Ni。采用25 kg 的真空感应熔炼炉进行熔炼。铸锭随后锻成Φ47mm×1000 mm 的长棒试样供试验使用。锻后的长棒先进行球化退火，试样随炉升温至800℃保温30min 后，继续升温至860℃保温90min，再随炉缓慢冷却至750℃保温90min，再以25～30 ℃/h 的冷却速度降至550℃，最后出炉空冷，退火工艺路线如图1( a) 所示。试验钢在1030℃保温30 min 后进行油冷，最后分别在250、300、350、400 ℃进行两次回火试验，其工艺路线如图1( b) 所示。


     将热处理后的试样磨制并抛光后，采用质量分数为19.7% 的FeCl3腐蚀剂进行腐蚀，利用光学显微镜(OM) 、扫描电镜(SEM) 和能谱仪对试样进行组织观察及EDS 分析; 室温拉伸试验按GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1 部分: 室温试验方法》在万能试验机上进行，选用d0=5 mm 的Ｒ7 棒状试样，取3 个平行试样进行测试; 冲击试验采用“V”型缺口试样，试样尺寸为10 mm ×10 mm ×55 mm，缺口深度2 mm，试验在冲击试验机上按GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行，取3 个平行试样进行测试。2试验结果与分析      2. 1 显微组织    试验钢淬火后的显微组织如图2 所示，可以看出，马氏体板条束呈现平行排列，并存在大量尺寸为1～2 μm沿铁素体晶界分布的颗粒物，根据图2 的显微组织和EDS 能谱分析结果，判断其为Cr 系碳化物。该类碳化物一般认定为( Fe，Cr)23C6。由于淬火马氏体的C、Cr 含量较高，大大增加了晶格正方度，导致其性能极不稳定。


     4Cr13 钢为中碳高合金钢，大量的合金元素提高了钢的回火抗力，使淬火马氏体分解温度提高，在较高温度回火时仍能保持原马氏体形貌8］。图3 为试验钢不同温度回火后的OM 照片，可见在较高温度回火时仍为回火马氏体。在较低温度回火时，只有碳、氮原子可以近程扩散发生化学偏聚，形成过饱和碳化物，回火温度稍微升高，部分过饱和碳化物中的碳析出形成少量合金渗碳体。从图3( a～d) 可以看出，低温回火时，马氏体基体析出碳化物较少，呈弥散分布，回火温度升高，碳化物析出逐渐增多，形状逐渐由颗粒状转变为片状，与原马氏体板条方向一致且多集中在马氏体边界。

   由于试验的回火温度未到达使马氏体大量分解的温度，因此马氏体板条束形貌都比较明显。在300℃以上回火时，碳化物大量析出。

    由图4 可以看到，在较低温度回火时，碳化物的析出相对较少，随着回火温度的升高，基体内开始析出大量碳化物，并发生长大。此外，V、Ti 元素的加入能有效减少晶界上二次碳化物的析出，使得在光学显微镜下晶粒的轮廓较为模糊，在扫描电镜上也能看到碳化物的数量较淬火态明显减少。2. 2 夹杂物与不规则碳化物    通过扫描电镜观察发现，在淬火态试验钢中存在较多夹杂物，包括MnS 夹杂、Al2O3夹杂物等，如图5(a) 所示。在熔炼过程中，先形成尺寸约为4μm 短棒状的MnS夹杂，Cr系碳化物将依附其生长析出。图5( b) 显示了在基体中存在的Al2O3夹杂物，形貌为圆球状，尺寸约为1.2 μm，TiC 碳化物以其为核心生长析出，形成一种典型的“核壳”结构，其尺寸约为4.5 μm。此类夹杂物的存在极大地影响了试验钢的冲击性能。

    此外，在基体中还存在较多的( Ti，V) C 复相碳化物，其形貌为短棒状和多边形，尺寸大多在1～10 μm之间，如图6 所示。

2.3 力学性能   图7为不同温度回火后试验钢的拉伸性能。由图7可知，随着回火温度的升高，抗拉强度先降低再逐渐升高，在300℃回火过程中抗拉强度最低，为1705MPa; 屈服强度与抗拉强度有着类似规律，随着回火温度升高到300 ℃呈现最低值，再随着回火温度的升高基本均呈上升趋势。

    从图7 可以看到，40Cr13VTi 钢的断后伸长率随着回火温度的升高先略微降低再升高。

   由图8可以看到，随着回火温度的升高，冲击性能先升高再降低，冲击吸收能量在5.2～6.8 J 之间，在350℃回火时出现最高值，为6.8 J，在400℃回火时出现最低值，为5.2 J。在250℃ 以上回火时，40Cr13VTi 钢具有较好的冲击性能。

  图9 为40Cr13VTi 钢不同温度回火后的硬度。试验钢的硬度随着回火温度的升高，先升高再降低，最后再升高，在400℃回火后具有最高硬度，为51.6HRC。3结 论1) 40Cr13VTi 钢1030℃油淬再经两次回火后，马氏体板条形貌基本被保留，未发生明显分解。低温回火时，马氏体基体碳化物析出较少，呈弥散颗粒状分布，回火温度升高，基体内开始析出大量碳化物，并发生长大。2) 随着回火温度的升高，试验钢抗拉强度与屈服强度均先降低再升高，在300℃回火时抗拉强度和屈服强度均降低到最低值; 冲击吸收能量随着回火温度的升高先升高再降低，主要是由于随着回火温度的升高，析出的碳化物数量增加，其尺寸也有所增大; 随着回火温度的升高，40Cr13VTi 钢的硬度先升高再降低最后又升高，在350℃回火时出现最低硬度，400℃回火时由于发生二次硬化，硬度又升高。3) 当回火温度为350℃时， 40Cr13VTi 马氏体不锈钢的综合力学性能最佳，屈服强度为1360 MPa，抗拉强度为1717MPa，冲击吸收能量为6.8 J，硬度为43.1 HＲC。

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