热处理对0Cr13Ni5Mo钢组织和性能的影响

张美丽

（商洛学院 化学与化学工程系，陕西商洛 726000）

0Cr13Ni5Mo钢是一种低碳马氏体高强不锈钢，该钢通过适当的固溶处理后可获得低碳板条状马氏体，并加入一定的镍、钼合金元素可使马氏体组织在晶粒形核过程中析出逆变奥氏体组织[1-3]，从而形成一种复相组织。由于逆变奥氏体的存在，使其具有高强度、高耐磨性和焊接性等优良的室温和低温力学性能，目前已成为国内外水电行业制造水轮机叶片、中缸等普遍采用的材料[4-6]，并开始应用于核电反应堆控制棒的驱动机构[7]。

大量研究证明，逆变奥氏体的热稳定性很高，在回火冷却过程中不易发生转变[8]，所以0Cr13Ni5Mo钢的回火稳定性极高，即使采用适当回火温度，也不能使板条状马氏体充分分解，只能析出部分碳化物而转变成回火马氏体[9]。而在瑞典专利中指出：“通过Ac1点以上(Ac3点以下)一定温度范围内回火和二次回火，可以得到满意的综合力学性能”[10]。由于这种钢工作条件苛刻，对材料的综合性能要求严格[11]，因此，本文对不同二次回火温度下的0Cr13Ni5Mo钢显微组织和力学性能进行了研究，为该钢的力学性能改善提供一个可参考的依据。

1 材料及方法

试验材料为退火态0Cr13Ni5Mo，其化学成分（质量分数，%）为：0.03C，0.27Si，0.74Mn，0.008P，0.002S，12.60Cr，4.47Ni，0.59Mo，0.04N。退火态组织为比较粗大的低碳板条状马氏体。

本试验先将退火态0Cr13Ni5Mo钢在1000℃下保温30 min进行淬火处理，然后在620℃下保温2 h进行一次回火处理，最后分别在560℃、580℃、600℃下保温2 h进行二次回火处理，以上全部采用空冷的方式冷却到室温。热处理完成后测试二次回火试样的金相组织、强度、冲击韧性和硬度。金相试样用腐蚀剂（硝酸：盐酸：水=1:1:1）腐蚀后，在Olympus GX71型光学显微镜上观察；拉伸试验按GB/T 228-2002采用Φ8 mm×113 mm试棒，在W34-16万能试验机上测试；冲击试验按GB/T 229-2007采用10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口试样，在摆锤冲击试验机上进行；硬度试验按照GB/T 231-2009进行测试。

2 结果与分析

2.1 金相组织

钢经过热处理后性能会发生变化，是由于经过不同的加热和冷却过程，材料的内部组织结构发生了变化。退火态0Cr13Ni5Mo钢的组织为比较粗大的低碳板条马氏体，板条晶界明显。为了分析不同温度的二次回火后0Cr13Ni5Mo钢组织的变化情况，分别对1000℃×30 min淬火+620℃×2 h一次回火+（560-600）×2 h二次回火后的材料进行了金相组织观察，3种不同二次回火温度下的组织如图1所示。

图1 不同温度二次回火后0Cr13Ni5Mo钢的金相组织

由图1可以看出，第二次回火后此钢的组织以板条状回火马氏体为主，在一次回火后形成的少量二次淬火马氏体消失。随着二次回火温度的升高，马氏体基体得到充分回火，粗大的板条马氏体明显变细，并且马氏体板条晶界不明显。当温度达到600℃时回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状。由此可以看出，二次回火温度的升高，有利于材料组织的细化。

2.2 强度和冲击韧性

从图1可以看出，不同温度的二次回火后0Cr13Ni5Mo钢的组织明显不同，由于组织决定性能，为了研究组织和性能之间的关系，对于不同热处理条件下材料的力学性能研究就显得特别重要。因此，对3种不同二次回火温度下的材料进行了拉伸性能和冲击性能的测定，测试结果分别如图2、图3所示。

0Cr13Ni5Mo钢在620℃一次回火后，屈服强度为843 MPa，抗拉强度为907 MPa，冲击功为178 J。从图2、图3可知，经过560℃、580℃、600℃二次回火后，材料的屈服强度分别为770，763，725 MPa，抗拉强度分别为 817，809，779 MPa，冲击功分别为 160，165，180 J。由此可以看出，材料的强度随着二次回火温度的升高近似直线下降，冲击功反之；并且强度和冲击功在560℃-580℃变化较小，而在580℃-600℃变化较大。

图2 不同温度二次回火后0Cr13Ni5Mo钢的强度曲线

图3 不同温度二次回火后0Cr13Ni5Mo钢的冲击功曲线

2.3 显微硬度

不同工件的使用过程中，要求材料的硬度值是不一样的。对于一些耐磨件主要考虑高硬度，而对于需要加工的零件，硬度过高反而不利于后续加工，所以一般会采用热处理的方法尽量使材料的硬度满足加工要求。图4是0Cr13Ni5Mo钢在不同温度的二次回火后的硬度变化情况。

图4 不同温度二次回火后0Cr13Ni5Mo钢的硬度曲线

由图4可知，0Cr13Ni5Mo钢在620℃一次回火的基础上进行不同温度的二次回火，随着回火温度的升高，硬度值逐渐降低。材料在一次回火后的硬度为 296 HB，而在 560℃、580℃、600℃二次回火后的硬度分别为287，277，260 HB。

3 结论

0Cr13Ni5Mo钢在二次回火之后，组织以板条状回火马氏体为主，且随着回火温度的升高，粗大的马氏体板条明显变细，当温度达到600℃时回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状。随着二次回火温度的升高，材料的冲击韧性呈上升趋势，屈服强度、抗拉强度以及硬度近似直线降低。在560℃-580℃性能变化较小，而在580℃-600℃性能变化较大。

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