热处理对经济型高碳马氏体不锈钢J50Cr13组织和硬度的影响

2022-09-05魏海霞潘吉祥纪显斌李照国

金属热处理 2022年8期

魏海霞，潘吉祥，纪显斌，李照国，徐斌

(酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃嘉峪关 735100)

马氏体不锈钢是一类可以通过热处理(淬火和回火)对其性能进行调整的不锈钢，通俗地讲，是一类可硬化的不锈钢。马氏体不锈钢主要元素是Cr、C、Mo及V等。碳在马氏体不锈钢中为主要元素，一般在0.10%～1.0%(质量分数，下同)范围内，其中低碳马氏体碳含量≤0.15%、中碳马氏体碳含量0.16%～0.40%、高碳马氏体的碳含量>0.40%[1]。碳含量越高则强度、硬度和耐磨性越高[2]。主要用于制造对强度、硬度要求高，而对耐蚀性能要求不太高的零部件，如汽轮机叶片、阀片、阀座、医疗器械弹簧以及工具、量具、刀具等[3]。经济型高碳马氏体不锈钢J50Cr13碳质量分数范围为0.48%～0.54%，经热处理后，其硬度明显高于40Cr13钢，与50Cr15MoV钢基本相当，但合金成本明显更低，主要用于高端量具、刀具等[4]。

高碳马氏体不锈钢的淬火组织主要由马氏体、残留奥氏体和碳化物组成[5]，相关文献指出马氏体不锈钢属于一种热处理敏感钢[6]，淬火温度的变化对晶粒尺寸、马氏体形态、残留奥氏体及碳化物的体积分数和尺寸均有明显的影响，进而对材料的力学性能产生影响[4]。热处理对其综合性能影响很大，对于淬火处理，淬火温度不能过低，过低温度淬火会导致碳化物无法完全溶解；过热淬火会导致晶粒粗大，产生过热铁素体[7]。

本文通过实验室应用箱式电阻炉、光学显微镜(OM)以及X射线衍射(XRD)分析技术，以J50Cr13钢为试验钢种，990～1110 ℃为淬火温度区间，研究了热处理温度及冷却方式对J50Cr13钢的组织和性能的影响，为下游材料的热处理生产提供工艺参考。

1 试验材料与方法

1.1 原材料及热处理工艺

研究用材料为2.5 mm厚的J50Cr13钢成品冷轧板，其化学成分见表1，首先将试样切割为10块2.5 mm×50 mm×70 mm的样板，1～5号样板于箱式电阻炉中分别在990、1020、1050、1080、1110 ℃保温10 min然后空冷；6～10号样板于箱式电阻炉中分别在990、1020、1050、1080、1110 ℃保温10 min然后水冷。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

1.2 显微组织观察与力学性能测试

显微组织观察：对热处理后不同状态的试样进行镶嵌、磨光、抛光、腐蚀后，采用DMI3000M莱卡光学显微镜观察显微组织，利用D8-Advance X射线衍射仪分析物相组成，靶材为Cu靶，2θ范围为10°～120°，角度分辨率为0.0001°。

力学性能测试：按照GB/T 230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》要求，对热处理后的试样进行洛氏硬度试验，测试前先用砂轮机打磨掉氧化皮和脱碳层，机械抛光后进行测试，为了确保试验的准确性，不同状态的试样测量3次，取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 热处理对J50Cr13钢显微组织和析出相的影响

图1分别为在990、1020、1050、1080和1110 ℃淬火空冷后试样的显微组织，由图1可以看出，J50Cr13钢的淬火组织为马氏体+碳化物+残留奥氏体，随着淬火温度的升高，试验钢的组织发生明显变化，组织中碳化物含量不断减少，大颗粒的碳化物尺寸减小，马氏体组织尺寸增加，残留奥氏体含量不断增加。

图1 不同淬火温度下(空冷)试验钢的显微组织

淬火温度在990～1050 ℃之间时，处于亚温淬火区[8]，在此温度加热过程中，组织中仍有较多未溶碳化物，组织未能全部奥氏体化[9]，当淬火温度为1080 ℃时，组织中的碳化物明显减少，限制奥氏体晶粒长大的碳化物、第二相粒子几乎完全溶解于基体，奥氏体晶粒显著增大，马氏体组织变的粗大，长度、宽度明显增加。

图2分别为在990、1020、1050、1080和1110 ℃淬火水冷后试样的显微组织，其显微组织的变化趋势同淬火空冷一致，并且相同淬火温度下，对照图1和图2可以看出，水冷后的组织和空冷处理后的组织相似。

图2 不同淬火温度下(水冷)试验钢的显微组织

对不同淬火处理后的J50Cr13钢进行XRD物相分析，并选择1020、1110 ℃时空冷、水冷状态的物相进行表征，如图3所示。可以看出，不同温度、不同冷却方式下淬火后，钢中的碳化物类型主要是M23C6。随着淬火温度的升高，碳化物不断地溶解在基体中，碳化物的峰不断减弱甚至消失，奥氏体相峰由于残留奥氏体含量的增加而越来越明显。

图3 不同淬火温度下试验钢的X射线衍射图谱

2.2 热处理对J50Cr13钢硬度的影响

高碳马氏体J50Cr13不锈钢经不同温度保温10 min淬火空冷或者水冷后，洛氏硬度随淬火温度变化的曲线见图4。

图4 不同淬火温度下试验钢的硬度曲线

由图4可知，空冷处理下，淬火温度从990 ℃增加至1020 ℃时，硬度值明显增加，从50.2 HRC增加到53.6 HRC，淬火温度从1020 ℃上升到1080 ℃时，硬度增加变缓，淬火温度从1080 ℃增加至1110 ℃时，硬度值开始降低；水冷处理下，淬火温度从990 ℃增加至1050 ℃时，硬度值明显增加，从52.8 HRC增加到56.4 HRC，淬火温度从1050 ℃上升到1080 ℃时，硬度增加变缓，淬火温度从1080 ℃增加至1110 ℃时，硬度值开始降低。

随淬火温度的升高，空冷和水冷后试验钢的硬度变化趋势基本一致，在1080 ℃之前，硬度随淬火温度的升高而增加；淬火温度超过1080 ℃后，硬度随淬火温度升高开始降低；经相同淬火温度处理的试验钢，水冷后的硬度值比空冷后的硬度值要高；在淬火温度为990 ℃时，水冷处理后的硬度和空冷处理的硬度相差最大，近3 HRC，提高淬火温度，水冷与空冷对试验钢硬度的影响逐渐减小；在淬火温度为1080 ℃时，空冷和水冷的试验钢硬度均达最大值。

以上观察与前文对试验钢的组织分析相符，马氏体不锈钢的硬度主要受其中碳化物含量和残留奥氏体含量的影响[10]，淬火温度升高，碳化物不断溶解，奥氏体中溶解的碳元素和合金元素不断增多，这将增加马氏体中碳的过饱和度和晶格畸变程度，有利于材料硬度的提升，同时由于碳化物的溶解，马氏体开始转变温度降低，第二相粒子对奥氏体晶粒的钉扎作用减小，奥氏体晶粒长大，残留奥氏体增加，这将不利于硬度的提升。

由淬火后的XRD图谱可知，试验钢淬火后的碳化物主要是M23C6，通常M23C6型碳化物的溶解温度范围是1050～1150 ℃[11]，因此在淬火温度从990 ℃升高至1080 ℃时，碳化物不断溶解，基体中固溶的碳化物不断增加，材料硬度增加；淬火温度达到1080 ℃时，基体中残留奥氏体含量增加、奥氏体晶粒缓慢长大，硬度值达到峰值；淬火温度从1080 ℃升高至1110 ℃时，碳化物和其他第二相粒子完全溶解在基体中，阻碍奥氏体晶粒长大的第二相粒子减少，奥氏体晶粒粗化，马氏体组织变得粗大，残留奥氏体含量增加，材料硬度下降。