以2Cr13马氏体不锈钢为研究对象，利用金相显微技术、硬度测试和常温拉伸等方式研究了不同镍含量对2Cr13马氏体不锈钢微观组织和综合性能的影响规律。研究结果表明，2Cr13马氏体不锈钢在单相奥氏体区轧制后空冷即可获得全马氏体组织，当w[Ni]为0.1%时，马氏体板条较为粗大。随着w[Ni]增加到0.3%，热处理后的硬度提高10HRC，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率从614MPa、748MPa、30%分别增加到670MPa、797MPa、33%。通过提高回火温度和保温时间可以进行2Cr13马氏体不锈钢力学性能的调整，以满足不同的订单要求。

 

1.前言

 

2Cr13马氏体不锈钢淬透性较好，基于淬火+回火热处理技术可以获得兼顾强韧和耐腐蚀的综合性能，从而被广泛应用于耐腐蚀和耐冲击载荷条件下工作的零件制备，如舰船发动机叶片、石油管道及天然气输送管道等。伴随能源工业的快速进步，尤其在一些腐蚀环境下的油田用深井、超深井开发，对不锈钢管材的要求更加苛刻。金属管材的力学性能和耐腐蚀性能主要由材料本身的化学成分和组织状态决定，因此，通过调控材料的化学成分和热处理工艺能够显著提升钢的服役寿命。

 

镍是一种主要的奥氏体稳定化元素，尤其在高温变形过程中能够一定程度上阻止δ铁素体的析出，并且能够提升材料Ms点，间接的增大了奥氏体相形成区间，明显改善材料的淬透性。此外，热处理工艺参数的选择也很关键，热处理制度的优化能够对2Cr13马氏体不锈钢的力学性能提升提供技术参考。杨顺贞等人分析回火制度对1Cr13马氏体钢微观组织和综合性能的影响规律，抗拉强度、硬度随回火温度的增大出现降低。Chakraborty等研究了AISI410马氏体不锈钢在中、高温回火过程中碳化物的形成机理，其结果表明M23C6析出在高温阶段更加敏感，而550℃回火时，脆化现象最严重。张小可、卫争艳等人系统开发了含镍马氏体不锈钢的最佳热处理工艺窗口，试验结果表明，淬火、高温回火工艺能够明显细化晶粒，明显提升了材料的综合力学性能，抑制了回火脆性。近年来，关于马氏体不锈钢组织性能调控技术研究者们做了大量的研究，主要利用微合金化来调整材料的组织均匀性和力学性能提升，因此材料中合金元素种类、数量对热处理后组织和性能的影响规律方面的研究变得尤为重要。

 

将针对w[Ni]分别为0.1%和0.3%的两批2Cr13马氏体不锈钢管进行淬火和回火组织、性能分析，确定合金元素含量以及热处理工艺参数对显微组织和力学性能的影响规律，为一线生产提供基础数据和理论分析指导。

 

2.试验材料及方法

 

试验材料是310mm×310mm断面坯料，铸坯采用电炉冶炼，炉容量为90t，获得的铸坯重量为1.16t，经环形炉1240℃加热、穿孔、连轧（终轧温度为850℃）、定径、分切、矫直，成品为244.48mm（外径）×11.99mm（壁厚）的马氏体组织钢管，其化学成分见表1。

 

针对上述热轧钢管，先在1200℃进行淬火加热，出炉后空冷即可获得马氏体组织。然后进行回火温度的研究，回火工艺采用步进式加热炉，加热炉分为预热段、加热段、保温段三段式。对淬火钢管进行785~800℃的高温回火，回火保温时间均为75min，回火炉温度见表2。高温回火后经热矫直、几何尺寸检查、超声波探伤达到需要的产品标准，钢管力学性能要求：屈服强度557~650MPa，抗拉强度≥655MPa，伸长率≥23%，洛氏硬度14~23HRC。

 

由于镍含量的变化导致该棒材热处理后的力学性能波动较大，不满足订单要求，故针对镍含量的变化对2Cr13马氏体不锈钢显微组织和力学性能的影响做了一系列研究。首先，采用JMatPro热力学分析软件对2Cr13马氏体不锈钢的平衡相图进行计算。然后，对轧制的无缝钢管进行热处理，进行显微组织观察、硬度测试和单向拉伸性能测试，性能检测均取3个试样取其平均值。金相制备经磨抛后采用科勒试剂进行腐蚀，腐蚀时间为40s，金相组织观察与拍照在Zeiss光学显微镜上完成。同时，对两种镍含量的钢管进行回火工艺研究，方案1的无缝钢管回火温度785℃保温70min后空冷。方案2的无缝钢管将回火温度升高为800℃，保温时间仍为70min。最后，对不同热处理工艺下的试样进行取样观察、硬度测试和拉伸性能测试，力学性能均取3个试样，测量取平均值。硬度测量采用洛氏硬度计，每个样品上取三个不同区域进行硬度测量。室温拉伸试验在电子万能试验机上完成，拉伸速度为3mm/min。

 

3.试验结果及分析

 

3.1镍含量对淬火后组织和性能的影响

 

图1所示为采用JMatPro软件进行计算得到的2Cr13马氏体不锈钢的平衡相图，可见单相奥氏体相区的温度范围为955~1212℃，高于此温度范围会有铁素体形成，而低于此温度范围会有M23C6产生。

 

因此，该材料在1200℃出炉进行轧管时处于单相奥氏体相区，具有较好的塑性变形能力，变形后经淬火可获得马氏体组织，保证钢管力学性能。于是，本文选择的淬火加热温度为1200℃。

 

图2所示为两种镍含量的2Cr13马氏体不锈钢在1200℃出炉轧管后空冷的金相组织，由图可见该材料从单相奥氏体相区空冷即可获得全部的马氏体组织，但是组织中还存在大量轧制流线，从图2(a)和2(b)所示的低倍组织看不出镍含量导致的差别。而图2(c)和2(d)所示的高倍组织中可以看出板条马氏体的形态，含镍量为0.1%的2Cr13马氏体不锈钢中马氏体板条粗大，且含镍量为0.3%的2Cr13马氏体不锈钢中晶粒尺寸更小。镍含量从0.1%增加到0.3%时，回火后晶粒尺寸从17.3μm降低到9.8μm，这应该是由于镍的添加导致晶粒细化的原因。镍含量为0.1%的2Cr13平均硬度值为47HRC，而镍含量0.3%的2Cr13平均硬度值为50HRC，硬度值的略微提高是来自于镍的细化晶粒以及提高淬透性的作用。

 

3.2镍含量对回火后组织和性能的影响

 

图3所示为两种镍含量的2Cr13马氏体不锈钢回火后的金相组织，其中图3(a)和3(b)所示为经相同的回火工艺（785℃、70min、空冷）处理后的金相组织，两图中均保留了部分板条马氏体的形态，析出一定数量的碳化物，更接近回火屈氏体组织。根据前面的平衡相图也可以验证，在该温度范围内回火会产生M23C6型碳化物。大部分晶粒还保留马氏体板条束的取向特征，并且图3(b)中的晶粒明显更加细小，约为10.4μm，这与上文中两种材料淬火后的晶粒尺寸大小是一致的。洛氏硬度结果表明，含镍量为0.3%的2Cr13马氏体不锈钢的硬度值较高，为31HRC，而含镍量为0.1%的2Cr13马氏体不锈钢的硬度值仅为21HRC，由此可见微量Ni的强化作用在经回火处理后更为明显。为满足订单要求，将含镍量为0.3%的2Cr13回火处理工艺调整为800℃、70min、空冷，获得的显微组织中马氏体形态基本消失，颗粒状碳化物增加，表现为明显的高温回火索氏体组织形貌，见图2(c)所示。同时，经该回火工艺处理后其硬度值降低为23HRC，这是因为在经调整后的回火工艺处理时，较高的回火温度有利于合金的扩散，导致马氏体过饱和程度进一步降低，合金以碳化物的形成存在，故而降低材料的硬度值。

 

经室温下的单向拉伸试验获得两种镍含量2Cr13钢回火后的力学性能，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率的具体数值，其结果见表3。随着镍含量从0.1%增加到0.3%，2Cr13马氏体不锈钢经785℃、70min回火后，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率从614MPa、748MPa、30%增加到670MPa、797MPa、33%，强度值明显提高。将镍含量为0.3%的2Cr13马氏体不锈钢回火工艺调整为800℃、70min，其屈服强度、抗拉强度和伸长率为619MPa、755MPa、31%，可以获得与镍含量为0.1%的2Cr13马氏体不锈钢相当的力学性能指标，较高的回火温度一定程度上降低了2Cr13马氏体不锈钢的强度。

 

此外，拉伸试验结果表明，适当改变镍含量或热处理温度，2Cr13试样的伸长率变化不明显，均保持在30%~33%，说明该材料在改变镍含量或回火温度条件下对伸长率不敏感，但会明显改变强度指标。综上，镍含量对2Cr13马氏体不锈钢的显微组织和力学性能都有明显的影响，不仅可以提高材料的淬透性、降低晶粒尺寸，而且可以改变材料的强韧性，提高综合性能。有些合金的添加可以提高材料的强度，但往往是以牺牲塑韧性为代价。也有研究表明，添加适量的镍、钼等合金能明显提高2Cr13马氏体不锈钢的力学及耐CO2腐蚀性能。针对2Cr13型马氏体不锈钢，可以通过热处理工艺调整，实现镍添加的强韧化作用。

 

4.结论

 

1）2Cr13马氏体不锈钢高温轧制后经过空冷即可获得全马氏体组织，镍为奥氏体形成元素，其含量增加可以提高2Cr13马氏体不锈钢在高温时奥氏体的稳定性，改善材料的淬透性、降低晶粒尺寸。镍含量从0.1%增加到0.3%时，淬火后的晶粒尺寸从17.3μm降低到9.8μm。　

 

2）随着镍含量从0.1%增加到0.3%，2Cr13马氏体不锈钢回火后的硬度值没有明显的改变，但经785℃、70min回火后，硬度值从21HRC升高到31HRC，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率从614MPa、748MPa、30%增加到670MPa、797MPa、33%。　

 

3）2Cr13马氏体不锈钢的力学性能可以通过回火工艺进行调整，为了满足订单要求，需将镍含量为0.3%的马氏体不锈钢回火温度和保温时间调整为800℃、70min，其力学性能与0.1Ni含量马氏体不锈钢的力学性能相当。

 

 

来源：天津钢管制造有限公司

关键词： 镍含量