提高阀门零件用20Cr13钢韧性的工艺优化
摘要：采用光学显微镜、扫描电镜等方法研究了不同淬火、回火温度对 20Cr13 钢常温和 - 40 ℃冲击性能的影响。 结果表明，当淬火温度相同时，随着回火温度由 500 ℃升至 700 ℃ ，试样的抗拉强度逐渐降低，冲击性能先降低后升高;当淬火温度由常规的 1030 ℃ 降低至 1000 ℃ ，回火温度相同时，试样的抗拉强度变化不大，但常温和 - 40 ℃下的冲击性能都有了一定的提高。
吕超君; 王健波; 张天德; 唐丽娜; 吴国华， 金属热处理 发表时间：2021-10-25
关键词：20Cr13 钢;淬火和回火温度;冲击性能;显微组织
20Cr13 不锈钢是一种综合性能良好的马氏体不锈钢，它具有基本的耐蚀性，切削加工性能好，又能通过淬火、回火等热处理进行强化，且价格低廉[1]，因此被广泛应用于阀门零件的制造中。 本试验钢在生产中均采用 1030 ℃作为淬火温度，经过不同温度回火后，在硬度上完全可以达到所需的要求，但零件在常温调试和低温试验时都出现了零件发生脆性断裂的现象。阀门零件的工作温度多在零下，文献[2]指出，脆性断裂的主要原因是金属不能通过局部塑性变形来松弛裂纹尖端的应力以阻止裂纹的扩展。 应力松弛时间不足，裂纹就会迅速传播，从而导致脆性断裂。 由于应力松弛的速度随着温度的下降而减缓，因此低温将促进脆性断裂。 本文采用不同的淬火温度对 20Cr13 不锈钢进行了一系列热处理工艺试验，观察热处理后材料的力学性能及组织，探讨淬火温度对 20Cr13 不锈钢常温和低温( - 40 ℃ )冲击性能的影响，以确定合理的淬火温度，从而提高材料的韧性。
1 试验材料与方法
试验采用直径为 ?20 mm 的 20Cr13 不锈钢棒料，原材料为轧态，其化学成分符合 GB / T 1220—2007《不锈钢棒》的标准，具体成分见表 1。
在高温箱式电阻炉(炉温均匀性为 ± 10 ℃ )中进行淬火处理，淬火温度分别选取 1000、1030 ℃ ，淬火保温 35 min。 保温结束后在淬火油中冷却;淬火后的试样分别在井式电阻炉(炉温均匀性为 ± 10 ℃ )中进行500、530、560、580 及 700 ℃回火处理，回火保温 75 min，保温结束后油冷。 将回火后的试样分别加工成拉伸试样、冲击试样和金相试样，进行力学性能、显微组织的检测。 其中拉伸试验按 GB / T 228. 1—2010 《金属材料 拉伸试验 第 1 部分 室温试验方法》 进行;冲击试验按照 GB / T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，分别在常温及 - 40 ℃进行检测;硬度检测按照 GB / T 230. 1—2009 《金属材料 洛氏硬度试验 第 1 部分：试验方法》 进行。 将抛光好的试样用4% 的硝酸酒精进行腐蚀，使用 Aro observer. D1m 倒置光学显微镜进行组织观测。
2 试验结果及分析
2. 1 淬火、回火温度对力学性能的影响
表 2 给出了试样分别在 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火、不同温度回火后的力学性能。 由表2 可以看出，1000 ℃ 淬火后在不同温度回火的试样，与 1030 ℃淬火的试样相比，强度变化趋势相同，抗拉强度、屈服强度和硬度都随着回火温度的升高而降低，伸长率随着回火温度的升高而升高。 在 530、560、580 ℃ 回火时，1000 ℃ 淬火试样的强度比 1030 ℃ 的略低，最大偏差为 57 MPa。回火温度超过 500 ℃后，合金元素的扩散能力加强，合金碳化物聚集长大，弥散强化效果减弱，因此强度开始下降[3]。
表 2 还给出了试样分别在 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火、不同温度回火后，常温和 - 40 ℃ 下的冲击吸收能量数值。 由表 2 可以看出，1000 ℃ 淬火后在不同温度回火的试样，与 1030 ℃ 淬火的相比，冲击吸收能量的变化趋势相同，均出现了先降低后升高的现象。在 500 ～ 530 ℃ 时，由于材料回火脆性的影响，试样冲击吸收能量出现了低谷，而后随着回火温度的升高，回火脆性逐渐减弱，冲击性能得到了提高。 这一现象符合文献[4]对回火脆性的描述，将一定成分的淬火钢在 350 ～ 550 ℃ 回火较长时间或慢冷通过这个温度区时，钢的韧性下降，出现脆性，这种现象称为回火脆性。 当回火温度达 700 ℃ 时，回火温度远离材料回火脆性区，试样的冲击吸收能量大幅度提高。
由表 2 可以明显看出，1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火的试样，抗拉强度、屈服强度、伸长率及硬度值都相差不大，但 1000 ℃淬火的试样，其常温和低温的冲击性能均高于 1030 ℃淬火的试样。 由此可以得出，将淬火温度由目前生产上常用的 1030 ℃ 降低至 1000 ℃ 时，抗拉性能及硬度仍能满足设计要求，并且冲击性能得到了一定的改善。
2. 2 淬火温度对显微组织的影响
试样淬火后通过回火，马氏体发生分解，经过 C、Cr 等元素的扩散、晶界迁移等阶段，根据不同的回火温度，形成不同的显微组织。 图 1(a)是 1000 ℃ 淬火、500 ℃回火试样的显微组织;图 1(b)是 1030 ℃ 淬火、500 ℃回火试样的显微组织。 由图 1 可以看出，在 500 ℃ 下回火，经过充分保温，淬火组织发生转变，马氏体中过饱和的碳大部分溶解，形成了回火屈氏体。
由图 1 可以明显看出，1030 ℃ 淬火的试样相较1000 ℃淬火的试样来说，组织较粗大。 1000 ℃ 淬火时，由于淬火温度较低，形成的奥氏体较小，淬火后，原奥氏体晶粒轮廓下的马氏体组织也相对较小;1030 ℃ 淬火时，淬火温度相对 1000 ℃提高 30 ℃ ，形成的组织也比 1000 ℃淬火时大，马氏体片间距也大，粗大的组织降低了冲击性能。 由于晶粒细小有提高强度的作用，所以当 1000 ℃淬火时，在提高韧性的同时，仍然可以使试样的强度维持在和 1030 ℃淬火时相当的水平，这从表 2 中也可看出。
2. 3 淬火、回火温度对冲击断口形貌的影响
图 2 为 1000 ℃ 淬火，经 530、580、700 ℃ 回火后，试验钢在 - 40 ℃ 下进行冲击试验的试样断口形貌。由图 2 可以看出，在相同的淬火温度下，当回火温度由530 ℃升高至 580 ℃ 时，回火脆性的影响逐渐减小，断口形貌为由沿晶开裂过渡至沿晶断裂 + 部分准解理;当回火温度升高至 700 ℃ ，断口已出现大量的准解理，韧性提高。 但由于 20Cr13 钢在低温环境下脆性较大，即使在 700 ℃ 回火时，断口仍有部分沿晶断裂形貌。
图 3 为经 1000 ℃ 和 1030 ℃ 淬火，分别在 530 ℃ 和 700 ℃回火后，试验钢在常温下进行冲击试验的试样断口形貌。 由图 3 可以看出，在 530 ℃回火时，由于处于回火脆性区，两种淬火温度下的试样，断口形貌均为沿晶断裂，1000 ℃ 淬火试样的断口形貌较 1030 ℃ 相比，除沿晶断裂外，还存在一定的准解理断裂。 在700 ℃回火时，1030 ℃ 淬火试样的断口除沿晶断裂外出现了大量准解理断裂，而 1000 ℃ 下淬火的试样，已为明显的韧性断裂，出现了大量的小而浅的韧窝。 韧窝的数量和尺寸能够体现材料的韧性程度，韧窝越多、尺寸越大，说明材料的韧性越好。 由图 3 及表 2 可以看出，试样在室温和低温时的断口形貌特征符合两种淬火温度下冲击吸收能量的差别：在不同回火温度下，1000 ℃淬火试样的冲击吸收能量均高于 1030 ℃ 淬火试样的冲击吸收能。 因此，将淬火温度由 1030 ℃降低至 1000 ℃ ，可以提高 20Cr13 钢在室温和低温下的韧性。
3 结论
1) 20Cr13 不锈钢在 1000 ℃ 淬火、不同温度回火后与 1030 ℃淬火、不同温度回火后比较，两者的强度水平相当。
2) 20Cr13 不锈钢在 1000 ℃ 淬火、不同温度回火后，常温与 - 40 ℃ 的冲击吸收能量均高于 1030 ℃ 淬火、不同温度回火后的冲击吸收能量。
3) 在两种淬火温度下，500 ～ 530 ℃ 左右回火的试样冲击吸收能量都比较低，应尽可能避开此温度范围回火。