奥氏体化工艺对30Cr13钢淬火后的组织和硬度的影响

2021-09-25乔晓燕赖承班闵永安

上海金属 2021年5期

乔晓燕赖承班陈卓闵永安

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.上海双立人亨克斯有限公司，上海 201112）

30Cr13钢是马氏体不锈钢，热处理后可获得较高的硬度和良好的耐蚀性，广泛用于制作刀剪等［1-6］。30Cr13钢低温淬火可获得细小的马氏体组织，制作的刀具或其他零件韧性较好，但耐蚀性较差；高温淬火加热时奥氏体中能固溶更多的合金元素，生产的刀具硬度高且耐蚀性好［7-8］，但热处理畸变较大。

本文研究了某刀具企业产品用30Cr13钢的奥氏体化温度和时间对其淬火后组织和硬度的影响，以期优化30Cr13钢产品的热处理工艺，在保证产品性能的前提下，降低生产成本，提高产品竞争力。

1 试验材料与方法

试验材料为2 mm厚的30Cr13冷轧钢卷，其化学成分见表1。试样尺寸为10 mm×5 mm×2 mm。

表1 试验用30Cr13钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the 30Cr13 used for test（mass fraction）%

利用DIL805A热膨胀相变仪进行了3组淬火试验，第1组奥氏体化时间为8 min，奥氏体化温度分别为930、980、1 030、1 080和1 130℃。第2组奥氏体化温度为980℃，保温时间分别为1、3、8和30 min。第3组奥氏体化温度为1 080℃，保温时间分别为1、3、8和30 min。加热速率为10℃ ／s，以30℃／s的速率冷却至室温。试验过程中，相变仪自动记录试样膨胀量随温度的变化，据此采用极值法确定马氏体开始转变温度（Ms）。

金相试样采用苦味酸酒精溶液浸蚀，在OLYMPUS BX51M金相显微镜上观察其显微组织。采用MH-50型显微硬度计测量试样硬度，试验力为200 g，至少测5个点取平均值。

2 结果与分析

2.1 淬火膨胀曲线

3组30Cr13钢试样奥氏体化后冷却过程中的膨胀量（长度变化）随温度的变化如图1所示。在以30℃／s的速率冷却过程中均只发生马氏体转变。在930℃奥氏体化8 min后淬火，马氏体开始转变温度Ms最高；随着奥氏体化温度的提高，Ms点明显下降；1 130℃淬火的钢的Ms点降至200℃以下。

为使图形更为直观，对图1（b，c）中膨胀量变化曲线进行了平移，此处不同温度的膨胀量数值无可比性。由图1（b，c）可知，在980和1080℃奥氏体化1 min，Ms点温度最高；随着奥氏体化时间的延长，Ms点下降，奥氏体化30 min的试样Ms点温度最低。从980℃淬火的试样的Ms点均为300℃左右；从1 080℃淬火，试样的Ms点均降至250℃以下。

图1 30Cr13钢试样在不同温度奥氏体化8 min（a）和980（b）、1 080℃（c）奥氏体化不同时间后冷却过程中长度随温度的变化Fig.1 Length of 30Cr13 steel samples as a function of temperature during cooling subsequent to austenitizing at different temperatures for 8 min（a），and to austenitizing at 980（b）and 1 080℃（c）for different times

图2更清晰地显示出了奥氏体化工艺对30Cr13钢Ms点的影响。从980℃提高到1 080℃奥氏体化8 min淬火，Ms点从308℃降至207℃；1 130℃奥氏体化后淬火，Ms点则降至196℃，如图2（a）所示。在980和1 080℃奥氏体化后冷却，Ms点的变化趋势基本一致，如图2（b）所示。保温1～8 min淬火，Ms点的下降幅度较保温8～30 min淬火的大，且1 080℃保温8～30 min淬火的试样的Ms点降幅明显较980℃奥氏体化后淬火的试样小。

图2 奥氏体化温度（a）和保温时间（b）对30Cr13钢Ms点的影响Fig.2 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on Mspoint of 30Cr13 Steel

2.2 显微组织

图3为在不同温度奥氏体化8 min淬火后试样的显微组织。可见，30Cr13钢试样中的碳化物随着淬火温度的升高而减少。930、980℃淬火的组织中仍有大量未溶颗粒状碳化物。1 080℃淬火的组织中碳化物十分细小，呈黑色点状。1 130℃淬火的组织中几乎没有碳化物。低于1 030℃淬火的组织为隐晶马氏体。1 080℃淬火的马氏体板条长约22 μm；1 130℃淬火后奥氏体晶粒明显长大，直径一般为40～60 μm，部分晶粒大于100 μm。

图3 30Cr13钢在不同温度奥氏体化8 min淬火后的显微组织Fig.3 Microstructures of 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for 8 min then quenched

30Cr13钢于980、1 080℃保温不同时间后淬火的显微组织如图4所示。980℃淬火的组织均为隐晶马氏体，基体中有大量二次碳化物。即使在该温度保温30 min，淬火后基体中仍有较多的二次碳化物，如图4（d）所示。1 080℃淬火的组织中碳化物随着保温时间的增加明显减少，保温30 min时，碳化物大部分溶于基体。1 080℃淬火的组织随着保温时间的增加发生明显变化，即从隐晶马氏体（见图4（e））到粗大的板条马氏体（见图4（h））；其晶粒尺寸随着保温时间的增加而增大，大致为12 μm→22 μm→30 μm→35μm（图4（e～h））。

图4 30Cr13钢在980℃奥氏体化1（a）、3（b）、8（c）、30 min（d）和在1 080℃奥氏体化1（e）、3（f）、8（g）、30 min（h）淬火后的显微组织Fig.4 Microstructures of the 30Cr13 steel austenitized at temperature of 980℃for 1（a），3（b），8（c）and 30 min（d）and austenitized at temperature of 1 080℃for 1（e），3（f），8（g），and 30 min（h）then quenched

2.3 硬度

上述试样的硬度如表2所示。硬度随奥氏体化温度和时间的变化如图5所示。图5（a）表明：奥氏体化温度从930℃提高至1 030℃，硬度从463 HV0.2大幅度提高至642 HV0.2；奥氏体化温度从1 030℃提高至1 130℃，硬度略有提高。图5（b）表明，980和1 080℃奥氏体化淬火的试样硬度均随保温时间的增加而提高。980℃奥氏体化淬火后的硬度随保温时间的变化比1 080℃奥氏体化的更为显著。980℃奥氏体化淬火的试样硬度均低于600 HV0.2，1 080℃保温1 min淬火的试样硬度为636 HV0.2。

图5 奥氏体化温度（a）和保温时间（b）对30Cr13钢硬度的影响Fig.5 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on hardness of the 30Cr13 steel

表2 在不同温度奥氏体化不同时间后淬火的30Cr13钢的硬度Table 2 Hardness of the 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for different times then quenchedHV0.2（HRC）

3 讨论

3.1 Ms点温度与淬火硬度

图6是采用JMatPro软件按表1成分计算的30Cr13钢的热力学平衡相图。在平衡状态下，30Cr13钢中碳化物为M23C6和M7C3，两者完全溶解于奥氏体的温度分别为1 019和1 030℃。一般认为，冷轧30Cr13钢卷接近平衡状态，因此钢中碳化物主要是M23C6和少量M7C3。从图6可见，理论上当加热温度超过800℃时，M23C6开始溶解。因此奥氏体化温度从930℃提高至1 080℃，碳化物溶解量增加。由于碳化物溶入奥氏体是一个动力学过程，依赖于碳在奥氏体中的扩散，实际加热过程中碳化物的溶解过程滞后于热力学相图。

图6 30Cr13钢的热力学平衡相图Fig.6 Thermodynamic equilibrium phase diagram of the 30Cr13 steel

因此，930～1 080℃加热保温8 min淬火，随着M23C6的溶解，Ms点从344℃降至207℃，且高于1 030℃奥氏体化的Ms点，由于M7C3溶解，Ms点降幅增大。1 080℃奥氏体化，大部分碳化物溶解。1 130℃奥氏体化，溶入奥氏体的碳化物较1 080℃略有增加，但奥氏体晶粒明显长大，晶体缺陷减少，马氏体形成时的切边阻力减小［8］，有利于马氏体转变，在这两个因素综合作用下Ms点略有下降。

930～1 130℃保温8 min奥氏体化淬火的钢的硬度变化规律（图5（a））与Ms点变化规律不完全一致，尽管两者均与碳化物的溶解即合金元素在基体中的固溶度密切相关。1 030、1 080和1 130℃奥氏体化淬火的硬度相差不大，均约645 HV0.2。这表明，从高于1 030℃的温度淬火的钢，残留奥氏体量增加、晶粒长大导致的硬度降低基本抵消了合金元素固溶量增加产生的强化效应。

1 030℃以上温度奥氏体化，碳化物溶解速度显著加快，保温时间对Ms点和硬度的影响没有低于1 030℃奥氏体化时那么明显。980℃奥氏体化，即便保温30 min，钢的Ms点也高于1 080℃保温1 min奥氏体化的Ms点，硬度低于后者。

总之，奥氏体化温度对30Cr13钢Ms点和硬度的影响最为显著。较低温度930～1 030℃奥氏体化时，保温时间对钢的Ms点和硬度有显著影响；高于1 030℃奥氏体化，保温时间的影响则明显较小。

3.2 淬火工艺

为便于讨论，按GB／T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》将维氏硬度转换为洛氏硬度。980℃保温1、3、8和30 min淬火的钢硬度分别为48.8、48.8、51.2和53.9 HRC（见表3）。而1 080℃保温1～8 min淬火后的硬度均达到57 HRC以上，保温30 min淬火的硬度高于58 HRC。根据刀剪的使用性能要求，还可通过回火使其硬度降低1～3 HRC。

采用保护气氛炉或真空炉对30Cr13钢刀具进行淬火加热时，考虑到装炉量和炉温均匀性，宜采用较低（980～1 030℃）的奥氏体化温度和较长（30～90 min）的保温时间。而采用网带炉、步进式炉等连续式炉进行热处理时，由于刀具加热较均匀，宜采用1 080℃保温5～8 min的奥氏体化工艺，以便在确保淬火质量的前提下提高生产率、降低热处理成本。