对13%马氏体铬不锈钢进行改性热处理，提高其冲击韧性外文翻译资料

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对13%马氏体铬不锈钢进行改性热处理，提高其冲击韧性

Kulkarni Srivatsalowast;, Perla Srinivas, G. Balachandran ,V. Balasubramania

lowast;通讯作者

电子邮件addresses: srivatsa. kulkarni@kcos.com,

srivatssa.kulkarni@gmail.com (K. Srivatsa).

Kalyani Carpenter特殊钢私人有限公司，曼德拉，浦那411036，马哈拉施特拉邦，印度

文章信息

文章历史：收到 2016年7月6日

收到修订表格 2016年9月10日

接受 2016年9月13日

在线可用 2016年9月14日

关键字：马氏体不锈钢变形、13%Cr钢、单硬化、双硬化、晶界碳化物、晶粒细化

摘要：通过改变热变形和热处理条件，研究了0.2% C -13% Cr马氏体不锈钢的一般力学性能，特别是零下冲击韧性的改善。变形条件包括在一种情况下热轧钢锭，在另一种情况下将钢锭压入半辊后再热轧。两种工艺制得的棒材分别在980℃和1040℃油淬条件下进行单硬化热处理和1040℃油淬条件下的双硬化热处理，然后在980℃油淬条件下进行双硬化热处理。在710℃和680℃条件下，对淬硬钢进行标准的两级回火处理。其他加工条件显示出不同的冲击韧性水平。观察到的韧性与晶粒尺寸、基体中的碳化物分布及断口形貌特征有关。

1.简介

在石油、天然气、发电和石油化工等工业领域中，有几种应用要求较高的强度、韧性和耐腐蚀性。13%铬不锈钢由于其较低的成本、较高的强度、较高的韧性和较强的耐腐蚀性，在石油天然气工业中得到了广泛的应用[1]。常用的13%铬马氏体不锈钢牌号中含有0.2%左右的C，热处理后呈回火板条马氏体结构，碳化物分布较细，基体增强。碳化物的尺寸、形状和分布以及晶粒尺寸对钢的力学性能特别是冲击韧性有较大的影响。碳化物的分布和晶粒尺寸受热变形和热处理的影响。直铬马氏体不锈钢易锻造，0.2%C-13%铬钢在1050 ~ 1230℃温度下，在完全没有铁素体存在的完全奥氏体状态下，其热加工和变形特征为完全奥氏体变形[2].。

　　热处理后的钢被缓慢冷却到室温，导致板条马氏体组织的形成。在830 ~ 885℃之间对热加工钢进行充分退火，使组织在铁素体基体中球化碳化物[2]，从而使热加工钢软化。退火条件下碳化物沿晶界呈M₂₃C₆型碳化物，同时存在M₇C₃型碳化物[3-7]。据报道，增加退火时间可使M₃C转变为M₇C₃，而M7C3在长时间暴露后形成M₂₃C₆碳化物。退火后的钢经淬火回火后得到强化。淬火通常在965℃ - 1050℃范围内进行奥氏体化，然后进行空气冷却、油或聚合物淬火。在低奥氏体化温度(965-1000℃)下，碳化物在奥氏体中溶解不完全，沿晶界残余碳化物破坏力学性能[8-10]。在较高的奥氏体化温度(1000-1040℃)下，晶粒长大严重，影响力学性能。理想的机械性能是通过回火钢在200至750℃之间，避免回火脆性范围350至550℃[11]。在回火范围以下回火强度好，韧性差;在回火范围以上回火韧性高，强度好，回火时形成的碳化物为M₂₃C₆。在上述所有加工过程中均存在晶界碳化物，会降低亚零韧性和耐蚀性[12,13]。提高奥氏体化温度或保温时间，确保碳化物完全溶解而不产生晶粒长大，可提高钢的韧性。碳含量较高的13%铬钢(0.45%)经高温奥氏体化处理后，其碳化物含量较低，但晶粒长大，使钢的强度和韧性恶化。总的来说，熔化晶界的奥氏体化条件(1000-1040℃)在没有晶粒长大的奥氏体中需要M₂₃C₆碳化物[15,16]。在高碳13%铬(D2钢)中，采用加速马氏体分解法研究了低温处理(-196℃和- 73℃)对二次碳化物体积分数的影响，并将其与冲击韧性和强度[17]进行了关联。研究了显微组织对低温处理D2钢断裂韧性的影响，发现随着残余奥氏体的降低和二次碳化物的增强，D2钢断裂韧性呈下降趋势。研究表明，原碳化物的存在使材料的韧性有明显的下降，而深低温处理由于碳化物的分布而提高了材料的韧性。D2型钢中碳化物分布作为各种低温和低温处理的函数，其对断裂韧性和耐磨性的影响与残余奥氏体和二次碳化物分布[19]的微观结构改性有关。在另一项钒工具钢的研究中，采用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射等手段对钒工具钢的碳化物分布进行了表征。在次零处理的试样[20]中，回火响应没有出现二次硬化。通过对钒钛6工具钢的扩展研究，确定了二次碳化物和残余奥氏体的细化效果及其对断裂韧性和磨损的影响[21]。

　　本研究采用热机械与热处理相结合的方法，通过改变碳化物分布，提高了13%铬-0.2%铬马氏体不锈钢的冲击韧性。

2.实验细节

　　将钢在35 MT电弧炉中熔化，然后进行钢包精炼和真空脱气。然后通过底部浇注上坡技术将钢水浇铸成四公吨铸锭（平均铸锭尺寸为570mm）。选择两个典型的锭进行研究。将一个铸锭直接热轧通过开炼机至235times;215mm半成品，然后用精轧机至170mm直径棒。最初将第二个锭料装入250times;270mm半成品中，然后将其进一步轧制成直径为170mm的棒材。在两种条件下，铸锭的总压下率保持在14。热轧工作参数总结在表1中。热轧后，棒材在850℃下退火4小时，然后炉子冷却至590℃。使用SEM和XRD表征退火的微结构。在Bruker D8机器上对退火钢进行XRD，步长为0.02，扫描速度为每步3s，用Mo Kalpha;过滤。选择170mm长的切割棒用于实验室规模的马弗炉中的热处理研究。将常规轧制棒和带齿 轧制棒中的三个切割棒进行以下热处理。一组（常规辊和嵌齿 轧制）通常在980℃和1040℃下通过奥氏体化硬化3小时15分钟，然后进行油淬火。另一组棒（常规轧制和嵌齿 轧制）最初在1040℃下奥氏体化3小时15分钟，然后进行油淬火。淬火后，将钢棒保持在淬火剂中45米。然后通过在980℃下奥氏体化3小时15分钟然后进行油淬火对棒进行第二硬化处理。硬化后的所有样品都经过双重回火，然后进行油冷却。第一次回火在710℃下进行5小时15分钟，然后在680℃下进行第二次回火5小时15分钟。使用ARL 3460光谱仪测定钢的化学性质，并使用LECO气体分析仪获得气体含量。

表1本研究采用的热工参数。

　　在不同条件下使用维氏硬度计在200g下用金刚石压头测量硬度。使用Shimadzu拉伸试验机在中半径位置进行机械测试，并且测试样品符合ASTM E8圆形样品，测量仪直径12.5mm，标距长度50mm。使用FIE试验机在各种热处理条件下，在零下温度（-10℃）下评价冲击性能。根据ASTM E23制备用于冲击试验的样品。使用光学显微镜评估微结构，并检查选择的样品的SEM。使用的蚀刻剂是Villella试剂。对于碳化物分布，通常如图1所示的SEM微观结构使用Image J软件在1000times;放大倍数下定量，以捕获微结构中最细的碳化物。检查10个视野的碳化物分数。通过对不同相进行着色来确定每个视野的面积分数，通过图像分析软件自动计算各个相的百分比。还确定了标准偏差。根据ASTM E112，通过在炉中氧化晶界来确定原始奥氏体晶粒尺寸。在两组处理条件下使用SEM进行双回火后捕获断口图像。根据ASTM A370使用Olympus立体显微镜测量脆性区域破裂。

图1典型的组织在扫描电镜(1000times;)显示定量碳化物部分

碳化物(白色)、基体(黑色)

3.结果与讨论

　　本研究考察了13％Cr-0.2％C钢的机械性能，尤其是零下冲击韧性。该研究使用经历变形路线的铸锭钢(i)常规热轧（ii）嵌齿 轧制。来自两种锻钢产品的轧制棒材样品经过（i）980℃和1040℃的单硬化热处理，然后进行油淬和（ii）双硬化热处理（1040℃/油淬 980℃ /油淬火）热处理。淬硬钢在710℃下进行标准的两级回火热处理，然后进行680℃[2]。已经研究了机械性能，重点是低温冲击韧性。这些性质与加工过程中的成分和微观结构演变有关。选择710℃的回火温度以实现强度，韧性和耐腐蚀性的最佳组合，满足一些技术最终用途。

3.1合金添加对马氏体形成的影响

目前钢的化学成分如表2所示。一般情况下，13%铬钢的含碳量在0.15- -0.3%之间，达到了足够的强度、耐腐蚀性和韧性。在目前的钢中，碳保持在0.18%。在这种碳中，马氏体起始温度(Ms)为297℃，终温(Mf)为197℃，远高于室温，根据下式[22,23]，这又降低了硬化时残余奥氏体的存在。此外，较低的含碳量在基体中产生较低的碳化物，从而在强度消耗适中的情况下提高了钢的韧性。低碳对M₂₃C₆型碳化物有促进作用，而高碳对M₇C₃ (M= Fe, Cr)型碳化物和[10]有促进作用。

表2 所检验钢的化学成分（wt%）

Ms (℃) = 540–(497*C 6.3*Mn 36.3*Ni 10.8*Cr 46.6*Mo) （1）

Mf (℃) = Ms–100 （2）

　　根据上式，Ms温度为297℃，Mf温度为197℃，这与Nakazawa报道的0.2C-13％Cr钢的数据相符[24]。考虑到奥氏体化温度对Ms和Mf温度的影响，Nakazawa报道了Ms和Mf温度下降，奥氏体化温度低于1000℃，碳化物溶解完成。在本研究中，使用Nakazawa的数据，Ms温度的差异约为10℃，并且对于奥氏体化温度980和1040℃，M℃温度的差异约为15℃。因此，预期Ms和Mf温度的这种低变化不会显着改变残余奥氏体或碳化物部分的微观结构特征。保持较低的硫以获得更多的各向同性性质，尤其是改善的横向冲击韧性，其随着细长的硫化物而降低。磷保持在低水平以避免回火脆化。一般地，钢中13％的Cr含量提供了良好的耐腐蚀性，并且还确保了良好的淬透性，并且CCT图向右移动，这使得在很宽的冷却速率范围内能够形成贯穿厚度的马氏体，包括在空气中冷却厚的部分[25]。 Al/N比保持在2.5以上，以确保通过残留的Al固定N以形成AlN，AlN在变形期间细化奥氏体晶粒。

3.2退火组织的表征

13%的Cr钢通常在830 ~ 885℃的温度范围内进行热加工后进行全退火，以软化基体，从

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资料编号：[1184]

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