Cr13型耐酸不銹鋼的金相組織
2023-02-24 15:43:13
作者：每天學(xué)點(diǎn)熱處理 來源：每天學(xué)點(diǎn)熱處理
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本期介紹Cr13型耐酸不銹鋼在不同工藝條件下對(duì)應(yīng)的金相組織，以及工藝對(duì)組織與性能的影響。
圖2，馬氏體和白色鐵素體，鐵素體呈帶狀分布。為正常的淬火組織。圖3，馬氏體和白色鐵索體，鐵素體呈帶狀分布。馬氏體十分粗大，鐵索體含量增加，為過熱組織。1Cr13鋼為半馬氏體鋼，也屬耐熱鋼范圍，正常淬火的顯微組織除馬氏體外，一般含量鐵素體低于15%。1Cr13 鋼的正常淬火溫度為950~1 050℃，過熱淬火容易產(chǎn)生高溫δ鐵素體，而且從相冬看淬火溫度越高，產(chǎn)生δ鐵素體的比例也越多，大量的δ鐵素體無論對(duì)鋼的力學(xué)性能還是耐腐蝕性能都有明顯的降低作用，且一日出現(xiàn)高溫δ鐵素體很難通過以后的熱處理，按相圖使其轉(zhuǎn)變成奧氏體而給予消除，所以應(yīng)盡量避免高溫鐵素體的出現(xiàn)。圖4、圖5的顯微組織為保留馬氏體位向的回火索氏體和帶狀鐵素體，屬正常調(diào)質(zhì)組織。原材料的帶狀偏析比較明顯，鐵素體帶分布不均勻，鐵素體帶中黑色鏈狀分布的為非金屬夾雜物(硫化物)。圖6，為保留馬氏體位向的回火索氏體和帶狀分布的鐵素體，組織粗大，為淬火過熱的調(diào)質(zhì)組織。1Cr13,鋼退火狀態(tài)具有較高的韌度和冷沖變形能力，并有很好的拋光性以及切削加工性能。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能。1Cr13鋼具有可焊性，但焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行退火處理，以防焊接裂縫的產(chǎn)生。1Cr13 鋼在弱腐蝕介質(zhì)中，如鹽水溶液、硝酸以及某些濃度不高的有機(jī)酸、食品介質(zhì)等，在溫度不超過30℃的條件下，具有良好的耐腐蝕性能。同時(shí)在潮濕大氣、蒸汽、淡水和海水等條件下，也具有良好的耐腐蝕性能。1cR1Cr13鋼主要用于制作對(duì)韌度要求較高、受沖擊載荷且具有不銹性的零件，如透平葉片、水壓機(jī)閥、緊固件，以及常溫下耐弱介質(zhì)腐蝕的設(shè)備。球狀珠光體和鐵素體組織。2Cr13鋼屬馬氏體不銹鋼，其主要性能和 1Cr13鋼相似，但由于含碳量較高，其強(qiáng)度和硬度比1Cr13鋼稍高，而耐腐蝕性能和耐熱性能則略有降低。2Cr13 鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有很高的強(qiáng)度和良好的綜合性能，可用于承受較高應(yīng)力的零件，如高壓透平零件，耐有機(jī)酸、鹽的水溶液和食品介質(zhì)的設(shè)備，以及用于造紙?jiān)O(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、刀具等。2Cr13鋼的 Ac1為820℃，Ac3為950℃，正常的淬火溫度應(yīng)為980~1000℃。由于淬火溫度偏低，晶粒過于細(xì)小，碳化物溶解不充分，合金元素均勻化不夠，從而會(huì)降低鋼的耐腐蝕性能和耐熱性能。帶馬氏體位向的均勻回火索氏體，屬正常的調(diào)質(zhì)組織。2Cr13鋼淬火后通常采用600~750℃高溫回火，而不采用中溫回火。因?yàn)橹袦鼗鼗饡r(shí)，生成(Cr、Fe)C 碳化物，碳化物的周圍形成貧鉻區(qū)。中溫回火的溫度不足以使基體富鉻區(qū)的鉻向貧鉻區(qū)擴(kuò)散，使腐蝕性能明顯降低;而高溫回火形成M23C8碳化物，其周圍的貧鉻區(qū)容易通過高溫回火的擴(kuò)散而得到消除，同時(shí)高溫回火也可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。圖10，球粒狀珠光體和沿晶斷續(xù)分布之顆粒狀碳化物。圖11，顆粒較大且分布不甚均勻的球狀珠光體、鐵素體及少量片狀珠光體，沿晶界有斷續(xù)鏈狀碳化物。球化組織優(yōu)劣直接影響以后淬火、回火質(zhì)量。圖 5-90中組織不均勻，且有層片狀珠光體，則零件在加熱淬火時(shí)容易發(fā)生變形或組織粗大。圖12，回火索氏體和未溶塊狀鐵素體，固溶程度差，將影響該材料的耐腐蝕性。圖13，均勻的回火索氏體及少量鐵素體。該組織用于石油零件，耐腐蝕性及其他性能均優(yōu)良。2Cr13屬亞共析不銹鋼，如果退火預(yù)備組織完善，淬火加熱能使碳化物充分固溶于奧氏體，可獲得無殘余鐵素體或少量鐵素體及中等針狀馬氏體，回火后獲得回火索氏體組織，其耐蝕性與強(qiáng)韌性均會(huì)優(yōu)良。馬氏體以及少量殘余奧氏體。硬度49.0~50.5HRC。2Cr13鋼的淬火溫度有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦1000~1050℃，但實(shí)際上以980~1000℃比較適宜。淬火溫度略高于1000℃時(shí)，很容易發(fā)生過熱現(xiàn)象(與成分波動(dòng)也有關(guān))，使淬火后馬氏體組織粗大，使韌度下降，還會(huì)影響其抗蝕性能。所以淬火加熱溫度控制要適當(dāng)、嚴(yán)格。圖15，球化退火，圖16 調(diào)質(zhì)，均經(jīng)85天膠體貯藏罐內(nèi)耐蝕試驗(yàn)圖15，球狀、小條狀碳化物分布在鐵素體基體上，黑色為腐蝕孔。失重 0.0206g。圖16，索氏體及黑色腐蝕凹坑。硬度為34.0~35.0HRC。失重0.139 7g。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看到，在所試驗(yàn)的介質(zhì)中，如果調(diào)質(zhì)回火溫度較低時(shí)，鋼的強(qiáng)度和硬度偏高，存在應(yīng)力使其抗點(diǎn)蝕的性能不及退火狀態(tài)。點(diǎn)狀和球狀珠光體及沿晶界呈斷續(xù)分布的二次碳化物。硬度為207HB。2Cr13型不銹鋼，鋼中含有13%的鉻，由于鉻具有使等溫轉(zhuǎn)變曲線向右移，和提高鋼淬透性的作用，使鋼具有空氣淬火能力。如果鍛后空冷，由于產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生很大的體積效應(yīng)和組織應(yīng)力。容易產(chǎn)生鍛后裂縫，所以 3Cr13鋼鍛后必須立刻進(jìn)行退火處理，一方面是為了消除應(yīng)力，另一方面利于以后的切削加工和為以后的淬火作好組織準(zhǔn)備。退火狀態(tài)的3Cr13鋼力學(xué)性能較差，耐腐蝕性能也不佳，這是由于大量的鉻和碳形成(Cr、Pe)23C6使基體貧鉻的緣故。所以3Cr13鋼一般不以退火狀態(tài)使用，而以淬火、回火狀態(tài)使用。點(diǎn)狀和球狀珠光體及沿晶界早斷續(xù)分布的二次碳化物。硬度202HB。3Cr13比1Cr13和2Cr13含碳最高，其化學(xué)成分可達(dá)到過共析成分。如果鋼中的碳偏上限，且鋼的終鍛溫度或退火溫度過高，將會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，若在以后的淬火中不能消除時(shí)，將使鋼的脆性增加。3Cr13因其含碳量高，其強(qiáng)度、硬度和熱強(qiáng)性都較高，但其耐腐蝕性和在700℃以下的高溫?zé)岱€(wěn)定性卻比1Cr13和 2Cr13低。3Cr13鋼經(jīng)淬火和回火處理后，具有很高的強(qiáng)度，常用來制造高載荷且在腐蝕介質(zhì)條件下工作的耐磨損機(jī)械或儀器零件，如柱塞、閥錐、滾珠軸承部件，測(cè)量和醫(yī)療器械工具等。回火馬氏體和未溶的細(xì)小碳化物顆粒。硬度為48~49HRC，為正常的淬火、低溫回火組織。3Cr13鋼一般的淬火溫度為950~1000℃，淬油。淬火后回火處理有兩種工藝。當(dāng)要求高硬度、高耐磨性和良好的耐蝕性能時(shí)，可采用低溫回火，一般為200~300℃。當(dāng)要求具有較高強(qiáng)度和良好韌度以及耐蝕性的結(jié)合時(shí)，可采用高溫回火，一般為550~750℃。3Cr13鋼經(jīng)低溫回火后得到回火馬氏體組織和少量未溶的碳化物顆粒。由于回火溫度低，合金元素的擴(kuò)散受到限制，回火析出的碳化物為高鐵低鉻的(Fe、 Cr)3C碳化物，這樣固溶體仍保留大量的鉻，使鋼具有高硬度、高耐磨性，同時(shí)具有良好的耐蝕性。3Cr13鋼淬火加熱時(shí)，隨著淬火溫度的提高，碳化物逐漸溶解，合金元素逐漸均勻化，此時(shí)碳化物具有阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用，鋼的晶粒度隨淬火溫度的提高而長(zhǎng)大的傾向不是很顯著。一旦碳化物完全溶解，隨著淬火溫度的提高，此時(shí)鋼的晶粒度將急劇長(zhǎng)大，板條馬氏體的比例越多，板條馬氏體的筐籃結(jié)構(gòu)也越明顯。隨著晶粒的粗大，鋼的塑性、韌度也顯著下降。帶馬氏體位向的回火索氏體和未溶細(xì)小碳化物顆粒。硬度為 36.0HRC。Cr13 型不銹鋼的馬氏體在不同溫度回火時(shí)，析出的碳化物類型不同，對(duì)其性能有著密切的影響。200~350℃的低溫回火時(shí)，從馬氏體中析出高鐵低鉻的滲碳體型碳化物( Fe、Cr)3C，基體仍保存大量鉻，使鋼具有良好的耐蝕性。400~550℃中溫回火時(shí)，通過鉻置換(Fe、Cr)3C中的鐵，形成高鉻低鐵的(Fe、Cr)7C3碳化物，或直接析出(Fe、Cr)7C3碳化物，使碳化物周圍貧鉻，而中溫回火的溫度不足以使固溶體中的鉻均勻化，從而降低鋼的耐蝕性。600~750℃高溫回火時(shí)形成 M23C6 碳化物,它實(shí)際上在482℃已開始形核，由于回火溫度高，碳化物周圍的貧鉻可通過擴(kuò)散而得以均勻化，所以高溫回火仍然具有良好的耐蝕性，作為結(jié)構(gòu)件使用時(shí)的馬氏體不銹鋼，多采用高溫回火處理。保留粗大馬氏體位向的回火索氏體，碳化物已完全溶解，晶粒粗大，屬淬火過熱的調(diào)質(zhì)組織，脆性極大。硬度40 HRC。
Cr13型不銹鋼，鉻含量高，導(dǎo)熱性差，淬火加熱時(shí)應(yīng)十分緩慢，并采用充分預(yù)熱或分級(jí)加熱處理為妥。淬火后由于相變的體積效應(yīng)、組織應(yīng)力應(yīng)及時(shí)回火，否則容易產(chǎn)生自裂現(xiàn)象。
馬氏體、殘余奧氏體、極少量粒狀碳化物以及沿晶分布有δ共析體。3Cr13鋼在高溫加熱時(shí)會(huì)析出黑色δ鐵素體，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟锱c奧氏體混合物，稱δ共析體。出現(xiàn)共析體及粗大晶粒表明有過熱現(xiàn)象，容易開裂。此壞料在最終熱處理時(shí)，刀尖處就出現(xiàn)沿晶裂紋。基體組織為球粒狀珠光體。屬正常的退火組織。球粒狀碳化物均勻分布在白色鐵素體基體從而構(gòu)成球粒狀珠光體組織。一般3Cr13鋼供貨狀態(tài)應(yīng)是正常退火組織，硬度較低，利于切削加工，并對(duì)淬火加熱有利，不易于造成過熱。圖25，經(jīng)飽和苦味酸溶液和洗滌劑溶液(數(shù)滴)熱浸蝕圖26，經(jīng)上述試,劑浸蝕后又經(jīng)苦味酸鹽酸酒精溶液浸蝕圖25，基體組織為奧氏體晶粒，并有孿晶線。通過用特殊試劑浸蝕，可以顯示奧氏體晶粒，晶粒度相當(dāng)于6~7級(jí)。在鍛造過程中由于變形，在晶粒內(nèi)會(huì)產(chǎn)生孿晶，浸蝕后可看到孿晶線。這是由于變形過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿晶變形的結(jié)果。說明工件承受變形量較大，變形速度亦較大。孿晶變形還會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。圖26，基體為粗針狀馬氏體及殘余奧氏體，同時(shí)見到晶界線和孿晶線。并在孿晶線邊緣可見到不易浸蝕的白色區(qū)域，這說明這種孿晶線存在加工硬化現(xiàn)象。3Cr13鋼在高溫模鍛成型后空冷亦能得馬氏體組織。隨著鍛造溫度的升高，馬氏體的針也隨著粗大，韌性亦下降。所以必須控制鍛造加執(zhí)溫度。圖27，球狀珠光體。硬度184HB，屬正常的退火組織。圖28，馬氏體和細(xì)小和較多碳化物顆粒，硬度47.5HRC，屬于欠熱淬火組織。4Cr13鋼Ac1為820℃，Accm1100℃，正常淬火溫度應(yīng)為1050℃~1100℃，由于淬火溫度偏低，碳化物溶解不充分，使奧氏體合金化程度不夠，淬火后硬度偏低。圖29，顯微組織為馬氏體和少量細(xì)小碳化物顆粒，硬度54HRC，屬正常的淬火、低溫回火組織。隨著淬火溫度的提高，碳化物溶解充分，淬火后硬度也較高。4Gr13鋼因其含碳量比1Cr13鋼、2Cr13 鋼高，故其強(qiáng)度、硬度、熱強(qiáng)性都較高，但耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性比1Cr13鋼、2Cr13鋼差。4Cr1 鋼常用作受高強(qiáng)度載荷、腐蝕介質(zhì)作用以及磨損條件下工作的零件，如柱塞、閥錐、滾珠軸重部件、活塞桿、螺柱、彈，以及刀具、日常家用器具的材料等。馬氏體、沿晶界分布黑色托氏體及顆粒狀和小塊狀碳化物，碳化物沿晶界分布，晶粒粗大。基體硬度為634 ~641HV1。組織仍殘留有鑄態(tài)組織形貌，成分枝晶偏析明顯，韌度必然降低，只能用于沖擊載荷較小的部件。基體為索氏體和白色碳化物，碳化物沿晶界線斷續(xù)網(wǎng)狀分布，并有聚集現(xiàn)象。晶粒粗大，晶粒度可評(píng)為1級(jí)。本樣品為CO2壓縮機(jī)閥座(精鑄件)，僅運(yùn)行一個(gè)月即發(fā)生脆斷。原設(shè)計(jì)為ZG3Cr13，結(jié)果碳含量超標(biāo)，實(shí)際成為ZG4Cr13，脆性增加。同時(shí)，鑄造組織形態(tài)沒消除(或淬火溫度過高)，碳化物沿晶網(wǎng)狀分布，更增加其脆性。
圖號(hào):圖32
材料:5Cr14
工藝情況:淬火、回火處理
浸蝕方法:苦味酸鹽酸酒精溶液浸蝕
組織說明:
馬氏體、殘余奧氏體、小塊狀和小顆粒狀碳化物。晶界區(qū)域較易浸蝕，可看到晶粒大小，晶粒度約10 級(jí)。5Cr14鋼是4Cr13鋼的變異鋼種，增加碳和鉻，碳化物明顯增多，使硬度及耐磨性相對(duì)提高。該鋼種主要用于制造民用刀具。
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