加熱溫度對(duì)06Cr13不銹鋼高溫奧氏體化過程的影響★

羅剛

（太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

加熱溫度對(duì)06Cr13不銹鋼高溫奧氏體化過程的影響★

羅剛

（太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030003）

對(duì)太鋼06Cr13冷板進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)，從組織和硬度變化的角度研究了其高溫奧氏體化過程。結(jié)果表明，在930~1 080℃試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，碳化物完全回溶，奧氏體含量是先增加后減少；在960~1 020℃時(shí)，奧氏體含量最高。

06Cr13不銹鋼奧氏體溫度

06Cr13屬于經(jīng)濟(jì)型不銹鋼。由于具有良好的力學(xué)性能、加工性能和焊接性能，成為大氣和其他弱腐蝕環(huán)境下使用的通用型鋼種，廣泛用于制作刀具、機(jī)械零件、螺栓、螺母以及化工裝置等，是400系不銹鋼中使用最多、產(chǎn)量最大的鋼種之一。在實(shí)際使用中人們希望通過提高材料強(qiáng)度，減少材料使用量來降低使用成本。為了兼顧強(qiáng)度和塑性，Speer等[1]提出了一種名為“淬火—配分”的新熱處理工藝。近年來，已有人[2,3]將該工藝應(yīng)用于不銹鋼的強(qiáng)化中，驗(yàn)證了該工藝的有效性。

基于“淬火—配分”原理，對(duì)于一定的材料，主要是依靠淬火后所形成的馬氏體來提高強(qiáng)度。顯然馬氏體量越多，強(qiáng)度越高。而馬氏體量則取決于材料高溫奧氏體化過程和淬火冷卻過程，且高溫奧氏體化過程是首要的。

由于06Cr13含有一定量的奧氏體化形成元素C、N，且鐵素體形成元素Cr含量較低，在高溫加熱時(shí)會(huì)發(fā)生鐵素體組織向奧氏體組織轉(zhuǎn)變，因此理論上材料經(jīng)充分加熱并快冷后，高溫奧氏體（部分）將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高強(qiáng)度?；谏鲜龇治?，如果在高奧氏體含量的溫度區(qū)間加熱，水淬后將有利于獲得足夠量的馬氏體來提高強(qiáng)度。鑒于溫度對(duì)奧氏體化過程影響最大，所以本文從加熱溫度的角度研究了太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司（全文簡(jiǎn)稱太鋼）06Cr13不銹鋼的奧氏體化過程，為該材料強(qiáng)化提供相應(yīng)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為太鋼生產(chǎn)的06Cr13退火態(tài)冷板，厚度1.5mm，其成分見表1。試驗(yàn)過程為：將材料剪切成寬×長(zhǎng)=20mm×150mm多塊試樣，分別在電阻爐中進(jìn)行不同奧氏體化溫度加熱和保溫后，直接水淬至室溫以保留高溫組織信息。最后從熱處理前后試樣上切20mm×20mm試樣進(jìn)行硬度測(cè)試和組織觀察。

為了消除試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)使用了小尺寸試樣。對(duì)應(yīng)地，用表面硬度HV10來間接表征高溫奧氏體含量多少。同時(shí)為了消除加熱時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將加熱時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為20min，試驗(yàn)溫度分別為930、960、1 020、1 060、1 080℃。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分%

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 組織

下頁圖1給出了06Cr13在試驗(yàn)前后組織狀態(tài)變化。由于熱處理后組織特征相似，所以本文給出了1 020℃相應(yīng)情況。由圖1可見，大生產(chǎn)退火態(tài)的06Cr13，顯微組織主要為小尺寸鐵素體晶粒，在晶粒晶界和晶粒內(nèi)部含有大量均勻、細(xì)小的碳化物。經(jīng)試驗(yàn)熱處理后，晶粒略微長(zhǎng)大，碳化物完全回溶消失，且在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較為明顯的條帶狀和島狀特征，經(jīng)過后面的分析可知這些條帶狀和島狀區(qū)域?yàn)轳R氏體，即通過試驗(yàn)處理后，材料組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+馬氏體的混合組織。

圖1 06Cr13熱處理前和熱處理后顯微組織（1 020℃）

2.2 硬度

硬度為在一定的壓頭和力的作用下所反映出材料的彈性、塑性、塑性形變強(qiáng)化率、強(qiáng)度、韌性以及抗摩擦性能等一系列不同物理量的綜合性能指標(biāo)。但對(duì)于本試驗(yàn)，可間接反映出馬氏體量的相對(duì)變化。

圖2給出了太鋼06Cr13經(jīng)不同溫度加熱和水淬后的硬度變化情況?？梢?，大生產(chǎn)06Cr13屬于軟態(tài)，所以硬度值較小，HV10平均為150；經(jīng)高溫加熱水淬后，硬度HV10顯著提高至230以上，增加了50%以上。

圖2 不同加熱溫度對(duì)06Cr13硬度的影響（保溫20m in，水淬）

根據(jù)圖1顯微組織可知，試驗(yàn)熱處理后材料中的碳元素幾乎完全固溶，這也可能引起材料硬度增加。但06Cr13碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.03%，不會(huì)由其引起如此大的硬度變化。因此，試驗(yàn)后材料硬度大幅升高的原因只能是基體中生成了大量的馬氏體，而且這些馬氏體正對(duì)應(yīng)著圖1中晶粒內(nèi)部的條帶狀和島狀組織。

進(jìn)一步分析圖2可知，在930~1 080℃的試驗(yàn)溫度區(qū)間，硬度是先增加后減小，960~1 020℃最高，這種變化規(guī)律也是馬氏體含量變化規(guī)律，間接地也是高溫奧氏體含量隨著溫度的變化規(guī)律。圖3為采用Thermo Calc軟件計(jì)算的太鋼06Cr13高溫相比例圖，經(jīng)分析，由圖可見930~1 080℃，高溫奧氏體含量隨著溫度先升高后降低，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。據(jù)圖3，930、960、1 020、1 080℃時(shí)奧氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79%、86%、84%和70%，按照先前討論，1 020℃的硬度應(yīng)小于960℃的硬度，1 080℃的硬度也應(yīng)小于930℃的硬度，與試驗(yàn)結(jié)果略有出入。這是因?yàn)橄鄨D計(jì)算為理想平衡態(tài)，試驗(yàn)時(shí)雖然保溫時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 min，但與平衡態(tài)還是略有差別，相之間的轉(zhuǎn)化實(shí)際上是需要一定的過熱。也即在實(shí)際應(yīng)用中，為了使奧氏體量最大，加熱溫度應(yīng)在960~1 020℃之間。

圖3 06Cr13在不同溫度時(shí)的相比例變化

3 結(jié)語

通過對(duì)太鋼06Cr13冷板進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)崽幚恚ǎ?30~1 080℃）×20min，水淬），基體中碳化物完全回溶，并且部分鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貖W氏體，水淬后生成大量馬氏體；960~1 020℃對(duì)應(yīng)的奧氏體化含量最高。因此從利用馬氏體相變來提高材料強(qiáng)度的角度而言，最佳加熱溫度為960~1 020℃。

[1]J.Speer，D.K.Matlock，B.C.De Cooman,and J.G.Schroth.Carbon partitioning into austenite aftermanensite transformation[J].Acta Mater.2003，51（9）：2 611-2 622.

[2]T.Tsuchiyama，J.Tobata，T.Tao,N.Nakada et.al.Quenching and partitioning treatmentofa low-carbonmartensitic stainlesssteel[J]. Mater.Sci.Eng.A，2012，532：585-592.

[3]J.Tobata，K.L.Ngo-Huynh,N.Nakada，T.Tsuchiyama and S. Takaki.Role of silicon in quenching and partitioning treatment of low-carbon martensitic stainless steel[J].ISIJ International，2012，52（7）：1 377-1 382.

（編輯：苗運(yùn)平）

Effect of Heating Tem peratures on Austenization of 06Cr13 Stainless Steel

LUO Gang
（State Key Laboratory of Advanced Stainless Steel in TISCO,Taiyuan Shanxi030003）

Through high-heat treatment for long time,the austenization behavior of 06Cr13 cold-rolled stainless steel plate by TISCO is studied by analyzing microstructure and hardness change.The results show that during the temperature arrange of 930~1 080℃,all carbides dissolve,and the austenite amount increases first and then decreases.When the treatment temperature is 960~1 020℃,the austenite amount ismaximum.

06Cr13 stainless steel,austenite,temperature

TG302

A

1672-1152（2017）02-0001-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.01

2016-12-14

山西省自然科學(xué)基金（2015011031）

羅剛（1980—），男，山西天鎮(zhèn)縣人，2011年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料加工專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司，主要從事不銹鋼材料研發(fā)工作。