淬火工艺对2Cr13不锈钢组织和力学性能的影响_刘睿.pdf

2023.3,3（2）|材料装备技术与应用淬火工艺对 2Cr13不锈钢组织和力学性能的影响刘睿，孙彦辉（北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083）摘要：针对因材料的硬度、韧性不足从而导致应用在牙科根管锉上的不锈钢容易发生的弯折、不易回复等现象，对 2Cr13马氏体不锈钢的轧后热处理工艺进行了研究。以传统的淬火+回火的热处理方式为基础，通过调整淬火过程中的固溶温度来提高 2Cr13马氏体不锈钢的强度和硬度，找到最佳的热处理工艺参数。采用商用软件 Thermo-Calc计算了 2Cr13马氏体不锈钢的相变点，并根据相变点设计了固溶温度变量。实验结果表明，材料淬火后得到了全马氏体组织，固溶温度在低于920 时强度和硬度不断上升，在 920 时获得了最佳的硬度和强度，随后强度和硬度随着温度的上升不断下降，同时在温度不断升高的过程中也增大了材料的脆性。关键词：不锈钢；淬火；固溶处理；碳化物析出；马氏体Effect of quenching process on microstructure and mechanical properties of 2Cr13 stainless steelLIU Rui,SUN Yanhui（Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing，100083，China）Abstract：Due to the lack of hardness and toughness of the material，the stainless steel used in dental root canal file is easy to bend and hard to recover.The heat treatment process of 2Cr13 martensitic stainless steel after rolling is studied.Based on the traditional heat treatment method of quenching+tempering，the strength and hardness of 2Cr13 martensitic stainless steel are improved by adjusting the solution temperature during quenching，and the best heat treatment process parameters are found.The phase transformation point of 2Cr13 martensitic stainless steel is calculated by using commercial soft-ware Thermo-Calc，and the solution temperature variable is designed according to the phase transfor-mation point.The experiment results show that the whole martensite structure is obtained after quench-ing.The strength and hardness increase continuously when the solution temperature is lower than 920，and the best hardness and strength are obtained at 920.Then the strength and hardness de-crease with an increase of the temperature，while the brittleness of the material increases with an in-crease of the temperature.Key words：stainless steel；quenching；solution treatment；carbide precipitation；martensite中图分类号:TG142.71；TG156.3 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0085-05收稿日期：2023-02-10第一作者简介：刘 睿（1998），男，硕士研究生。研究方向：金属热处理。通讯作者简介：孙彦辉（1971），男，博士，教授。研究方向：连铸坯质量控制，金属热处理。85引 言2Cr13 型马氏体不锈钢具有良好的硬度和淬透性，相比于正常的不锈钢具有更好的性价比，主要用于制造高强度压力负荷的零件，广泛的应用于医疗、机械等方面的加工中1-3。2Cr13 不锈钢在经过淬火、回火等热处理工艺后可以得到更好的机械性能4-7。常规马氏体不锈钢的热处理工艺主要为淬火+回火，高温固溶处理可使钢中的强化合金元素充分均匀的溶解，淬火后得到全马氏体组织，拥有均匀分布的高密度位错，并提供了大量潜在形核位置。时效处理在较低温度下使合金脱溶，从过饱和的固溶体中析出细小致密的第二相，细化晶粒。其目的是钢中析出强化相，从而提高强韧性。在固溶淬火的过程中，当温度升到奥氏体化温度以上并保温一段时间后，不锈钢获得全部的奥氏体组织，在淬火后奥氏体转化为马氏体，硬度和强度得到了一定的提高，但随之而来也带来了脆性的提高，给之后的加工带来了不便8-13。材料在后续回火的过程中消除内应力，细化了晶粒，并且产生了逆变奥氏体。因此使得材料的韧性和塑性有所回升14-16。现有某医疗公司应用在牙科根管上的不锈钢出现了强度、硬度不足的现象，在使用中经常出现无法回复的弯曲。由于在马氏体不锈钢的热处理过程中，强度和硬度主要是淬火过程带来，而回火主要是改善了材料的塑性和韧性。根据这种情况，本文为了提高 2Cr13 的强度和硬度，改善不锈钢的使用性能，对 2Cr13 马氏体不锈钢的淬火过程进行了不同工艺参数的热处理，探究了不同热处理工艺对于不锈钢组织变化和强度、硬度的影响。1试验材料与方法本试验采取的材料为 2Cr13马氏体不锈钢。试验材料经过真空感应炉进行熔炼后进行轧制，得到10 kg的板材。2Cr13不锈钢各元素成分及检测标准如表 1 所示。通过电火花线切割机进行切割，得到12 mm12 mm65 mm 的 方 棒 以 备 热 处 理 试 验使用。采用 Thermo-Calc热力学计算软件计算了该成分下热力学平衡相体积分数随温度的变化情况，如图 1所示。从图 1中可看出，铁素体相在 800 左右开始转化为奥氏体相，在 830 左右转化完成。同时，在高温下，大部分碳化物随着温度的升高逐渐溶解到基体中，只有 M23C6比较稳定，在 760 左右也开始逐渐溶解在基体中，并在 970 左右全部溶解。根据所计算的奥氏体化温度和 M23C6碳化物溶解的温度设置固溶温度的变化范围，以 50 为梯度，实验采用 870，920，970，1020 和 1070 分别对方棒进行固溶处理 2 h，随后进行水淬。具体热处理工艺如表 2和图 2所示。根 据 实 验 方 案，将 切 割 好 的 方 棒 放 入QSXF-1200 型号马弗炉中，设置升温时间为 1 h，达到目标温度后保温 2 h，保温结束后将试样水淬。将淬火后的试样热镶，用 60，150，400，800，1200，1500和 2000目的砂纸依次打磨并进行抛光，随后用成分为 10 g FeCl3+30 mL HCl+120 mL H2O 的腐蚀液对抛光表面进行腐蚀。采用 LEICA DM2700M 型图 22Cr13不锈钢的热处理工艺流程表 1试验用不锈钢的化学成分/%w（C）0.18w（Si）0.32w（Mn）0.26w（Cr）12.1w（Ni）0.31w（S）0.026w（Fe）余量图 1实验钢材热力学平衡相体积分数随温度的变化表 22Cr13不锈钢的热处理工艺参数样品序号12345固溶温度/87092097010201070固溶时间/h2冷却方式水淬 86淬火工艺对 2Cr13不锈钢组织和力学性能的影响 刘睿 等号的光学显微镜对抛光腐蚀后的试样进行金相组织观察；采用硬度测试仪对抛光后的试样进行硬度检测，每个试样随意选取 10个不同位置的点进行硬度的检测，取平均值作为该试样的硬度；采用拉力压力万能材料试验机对淬火后的样品进行实验，试样按照 GB/T 228.12021国家标准进行加工，拉伸速率为 屈 服 结 束 前 0.00025 s1，屈 服 结 束 后 为 5 mm/min。采用德国布鲁克 D8 ADVANCE X 射线衍射仪对试样进行 X 射线衍射，管电流为 40 mA，管电压为 35 kV，扫描速度为 2/min。2实验结果与分析2.1组织结构分析图 3为不同固溶温度下淬火后的组织。从图中可以看出，淬火后试样的腐蚀表面表现出明显的板条状马氏体组织，还有弥散分布的碳化物。随着固溶温度的升高，奥氏体晶粒在长大的过程中尺寸不断增大，淬火后得到的版条状马氏体也逐渐变得粗大。另外，在淬火后的试样中，碳化物均匀的分布在马氏体基体上。随着固溶温度的升高，碳化物的溶解度不断的增加，小尺寸的碳化物逐渐溶解在基体中，大尺寸的碳化物体积也有所减小。如图 3（a），（b）所示，在 870 和 920 下固溶后，由于固溶温度偏低，晶粒形核长大的速度比较慢；另外分布在基体中的碳化物起到了钉扎的作用，阻碍了奥氏体晶粒的长大，所以晶粒尺寸较小。当固溶温度为 970 时，如图 3（c）所示，由于温度升高，奥氏体晶粒生长的更快更大，更多的碳化物溶解到基体中，对晶粒的钉扎阻碍减小，所以淬火后形成的马氏体组织尺寸有所增大。当固溶温度进一步升高到 1020 和 1070 时，如图 3（d），（e）所示，此时组织中所有的碳化物都溶解到基体中，晶粒的生长缺少阻碍得以进一步增大。图 4为不同温度淬火后试样的 X 射线衍射图谱，从图 4 中的衍射峰可以验证淬火后的试样为全部的马氏体结构，并没有残余奥氏体。随着淬火温度的升高，试样的结构没有发生明显的改变。2.2力学性能检测2.2.1拉伸性能检测图 5 和表 3 分别为不同温度淬火后的样品进行拉伸试验所得到的应力应变曲线，以及得到的力学性能数值。图 6为不同温度淬火后的拉伸力学性能变化趋势。随着淬火温度的升高，材料的强度呈现出一个先升高再下降的趋势，抗拉强度在 920 达到最高，达到 1414 MPa，随后逐渐下降。马氏体不锈钢的硬度主要取决于钢中碳化物和马氏体的含图 3不同固溶温度下 2Cr13的金相组织图 4不同淬火温度后试样的 X射线衍射图谱 87量，在微观层面上，主要取决于两个因素：一是随着固溶温度的逐渐升高，碳化物逐渐溶解，碳原子固溶在马氏体基体的晶格间隙或者内部，增大了晶格畸变，这会提高马氏体不锈钢的硬度；二是随着固溶温度 的 升 高，晶 粒 逐 渐 增 大，晶 界 减 少。根 据Hall-Petch公式：=0+kd-12（1）晶粒尺寸的增大会降低材料的强度和硬度；另外晶界的减少也会减少晶界对晶粒变形的阻碍作用。在较低固溶温度下，碳化物弥散的分布在基体中，晶粒尺寸处在较小的范围。随着固溶温度的不断升高，碳化物开始逐渐的溶解到基体中，增大了晶格畸变程度，使得晶体在形变时滑移受到阻碍，材料的强度逐渐增大，在 920 达到了最大值。随着固溶温度的继续升高，碳化物进一步溶解到基体中，造成了更多的晶格畸变。但是此时晶粒尺寸逐渐增大，细晶强化效果逐渐减小，晶粒尺寸对材料硬度的影响已经大于晶格畸变的影响。所以在较高固溶温度下，材料的强度随着固溶温度的升高逐渐减低。另外，材料的塑性不断减小，脆性不断增大。材料的塑性在 920 时达到最低，断后伸长率达