奧氏體化工藝對30Cr13鋼淬火后的組織和硬度的影響

喬曉燕 賴承班 陳 卓 閔永安

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.上海雙立人亨克斯有限公司，上海 201112）

30Cr13鋼是馬氏體不銹鋼，熱處理后可獲得較高的硬度和良好的耐蝕性，廣泛用于制作刀剪等［1-6］。30Cr13鋼低溫淬火可獲得細小的馬氏體組織，制作的刀具或其他零件韌性較好，但耐蝕性較差；高溫淬火加熱時奧氏體中能固溶更多的合金元素，生產的刀具硬度高且耐蝕性好［7-8］，但熱處理畸變較大。

本文研究了某刀具企業產品用30Cr13鋼的奧氏體化溫度和時間對其淬火后組織和硬度的影響，以期優化30Cr13鋼產品的熱處理工藝，在保證產品性能的前提下，降低生產成本，提高產品競爭力。

1 試驗材料與方法

試驗材料為2 mm厚的30Cr13冷軋鋼卷，其化學成分見表1。試樣尺寸為10 mm×5 mm×2 mm。

表1 試驗用30Cr13鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the 30Cr13 used for test（mass fraction）%

利用DIL805A熱膨脹相變儀進行了3組淬火試驗，第1組奧氏體化時間為8 min，奧氏體化溫度分別為930、980、1 030、1 080和1 130℃。第2組奧氏體化溫度為980℃，保溫時間分別為1、3、8和30 min。第3組奧氏體化溫度為1 080℃，保溫時間分別為1、3、8和30 min。加熱速率為10℃ ／s，以30℃／s的速率冷卻至室溫。試驗過程中，相變儀自動記錄試樣膨脹量隨溫度的變化，據此采用極值法確定馬氏體開始轉變溫度（Ms）。

金相試樣采用苦味酸酒精溶液浸蝕，在OLYMPUS BX51M金相顯微鏡上觀察其顯微組織。采用MH-50型顯微硬度計測量試樣硬度，試驗力為200 g，至少測5個點取平均值。

2 結果與分析

2.1 淬火膨脹曲線

3組30Cr13鋼試樣奧氏體化后冷卻過程中的膨脹量（長度變化）隨溫度的變化如圖1所示。在以30℃／s的速率冷卻過程中均只發生馬氏體轉變。在930℃奧氏體化8 min后淬火，馬氏體開始轉變溫度Ms最高；隨著奧氏體化溫度的提高，Ms點明顯下降；1 130℃淬火的鋼的Ms點降至200℃以下。

為使圖形更為直觀，對圖1（b，c）中膨脹量變化曲線進行了平移，此處不同溫度的膨脹量數值無可比性。由圖1（b，c）可知，在980和1080℃奧氏體化1 min，Ms點溫度最高；隨著奧氏體化時間的延長，Ms點下降，奧氏體化30 min的試樣Ms點溫度最低。從980℃淬火的試樣的Ms點均為300℃左右；從1 080℃淬火，試樣的Ms點均降至250℃以下。

圖1 30Cr13鋼試樣在不同溫度奧氏體化8 min（a）和980（b）、1 080℃（c）奧氏體化不同時間后冷卻過程中長度隨溫度的變化Fig.1 Length of 30Cr13 steel samples as a function of temperature during cooling subsequent to austenitizing at different temperatures for 8 min（a），and to austenitizing at 980（b）and 1 080℃（c）for different times

圖2更清晰地顯示出了奧氏體化工藝對30Cr13鋼Ms點的影響。從980℃提高到1 080℃奧氏體化8 min淬火，Ms點從308℃降至207℃；1 130℃奧氏體化后淬火，Ms點則降至196℃，如圖2（a）所示。在980和1 080℃奧氏體化后冷卻，Ms點的變化趨勢基本一致，如圖2（b）所示。保溫1～8 min淬火，Ms點的下降幅度較保溫8～30 min淬火的大，且1 080℃保溫8～30 min淬火的試樣的Ms點降幅明顯較980℃奧氏體化后淬火的試樣小。

圖2 奧氏體化溫度（a）和保溫時間（b）對30Cr13鋼Ms點的影響Fig.2 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on Mspoint of 30Cr13 Steel

2.2 顯微組織

圖3為在不同溫度奧氏體化8 min淬火后試樣的顯微組織?？梢?，30Cr13鋼試樣中的碳化物隨著淬火溫度的升高而減少。930、980℃淬火的組織中仍有大量未溶顆粒狀碳化物。1 080℃淬火的組織中碳化物十分細小，呈黑色點狀。1 130℃淬火的組織中幾乎沒有碳化物。低于1 030℃淬火的組織為隱晶馬氏體。1 080℃淬火的馬氏體板條長約22 μm；1 130℃淬火后奧氏體晶粒明顯長大，直徑一般為40～60 μm，部分晶粒大于100 μm。

圖3 30Cr13鋼在不同溫度奧氏體化8 min淬火后的顯微組織Fig.3 Microstructures of 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for 8 min then quenched

30Cr13鋼于980、1 080℃保溫不同時間后淬火的顯微組織如圖4所示。980℃淬火的組織均為隱晶馬氏體，基體中有大量二次碳化物。即使在該溫度保溫30 min，淬火后基體中仍有較多的二次碳化物，如圖4（d）所示。1 080℃淬火的組織中碳化物隨著保溫時間的增加明顯減少，保溫30 min時，碳化物大部分溶于基體。1 080℃淬火的組織隨著保溫時間的增加發生明顯變化，即從隱晶馬氏體（見圖4（e））到粗大的板條馬氏體（見圖4（h））；其晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而增大，大致為12 μm→22 μm→30 μm→35μm（圖4（e～h））。

圖4 30Cr13鋼在980℃奧氏體化1（a）、3（b）、8（c）、30 min（d）和在1 080℃奧氏體化1（e）、3（f）、8（g）、30 min（h）淬火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the 30Cr13 steel austenitized at temperature of 980℃for 1（a），3（b），8（c）and 30 min（d）and austenitized at temperature of 1 080℃for 1（e），3（f），8（g），and 30 min（h）then quenched

2.3 硬度

上述試樣的硬度如表2所示。硬度隨奧氏體化溫度和時間的變化如圖5所示。圖5（a）表明：奧氏體化溫度從930℃提高至1 030℃，硬度從463 HV0.2大幅度提高至642 HV0.2；奧氏體化溫度從1 030℃提高至1 130℃，硬度略有提高。圖5（b）表明，980和1 080℃奧氏體化淬火的試樣硬度均隨保溫時間的增加而提高。980℃奧氏體化淬火后的硬度隨保溫時間的變化比1 080℃奧氏體化的更為顯著。980℃奧氏體化淬火的試樣硬度均低于600 HV0.2，1 080℃保溫1 min淬火的試樣硬度為636 HV0.2。

圖5 奧氏體化溫度（a）和保溫時間（b）對30Cr13鋼硬度的影響Fig.5 Effect of austenitizing temperature（a）and holding time（b）on hardness of the 30Cr13 steel

表2 在不同溫度奧氏體化不同時間后淬火的30Cr13鋼的硬度Table 2 Hardness of the 30Cr13 steel austenitized at different temperatures for different times then quenchedHV0.2（HRC）

3 討論

3.1 Ms點溫度與淬火硬度

圖6是采用JMatPro軟件按表1成分計算的30Cr13鋼的熱力學平衡相圖。在平衡狀態下，30Cr13鋼中碳化物為M23C6和M7C3，兩者完全溶解于奧氏體的溫度分別為1 019和1 030℃。一般認為，冷軋30Cr13鋼卷接近平衡狀態，因此鋼中碳化物主要是M23C6和少量M7C3。從圖6可見，理論上當加熱溫度超過800℃時，M23C6開始溶解。因此奧氏體化溫度從930℃提高至1 080℃，碳化物溶解量增加。由于碳化物溶入奧氏體是一個動力學過程，依賴于碳在奧氏體中的擴散，實際加熱過程中碳化物的溶解過程滯后于熱力學相圖。

圖6 30Cr13鋼的熱力學平衡相圖Fig.6 Thermodynamic equilibrium phase diagram of the 30Cr13 steel

因此，930～1 080℃加熱保溫8 min淬火，隨著M23C6的溶解，Ms點從344℃降至207℃，且高于1 030℃奧氏體化的Ms點，由于M7C3溶解，Ms點降幅增大。1 080℃奧氏體化，大部分碳化物溶解。1 130℃奧氏體化，溶入奧氏體的碳化物較1 080℃略有增加，但奧氏體晶粒明顯長大，晶體缺陷減少，馬氏體形成時的切邊阻力減?。?］，有利于馬氏體轉變，在這兩個因素綜合作用下Ms點略有下降。

930～1 130℃保溫8 min奧氏體化淬火的鋼的硬度變化規律（圖5（a））與Ms點變化規律不完全一致，盡管兩者均與碳化物的溶解即合金元素在基體中的固溶度密切相關。1 030、1 080和1 130℃奧氏體化淬火的硬度相差不大，均約645 HV0.2。這表明，從高于1 030℃的溫度淬火的鋼，殘留奧氏體量增加、晶粒長大導致的硬度降低基本抵消了合金元素固溶量增加產生的強化效應。

1 030℃以上溫度奧氏體化，碳化物溶解速度顯著加快，保溫時間對Ms點和硬度的影響沒有低于1 030℃奧氏體化時那么明顯。980℃奧氏體化，即便保溫30 min，鋼的Ms點也高于1 080℃保溫1 min奧氏體化的Ms點，硬度低于后者。

總之，奧氏體化溫度對30Cr13鋼Ms點和硬度的影響最為顯著。較低溫度930～1 030℃奧氏體化時，保溫時間對鋼的Ms點和硬度有顯著影響；高于1 030℃奧氏體化，保溫時間的影響則明顯較小。

3.2 淬火工藝

為便于討論，按GB／T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》將維氏硬度轉換為洛氏硬度。980℃保溫1、3、8和30 min淬火的鋼硬度分別為48.8、48.8、51.2和53.9 HRC（見表3）。而1 080℃保溫1～8 min淬火后的硬度均達到57 HRC以上，保溫30 min淬火的硬度高于58 HRC。根據刀剪的使用性能要求，還可通過回火使其硬度降低1～3 HRC。

采用保護氣氛爐或真空爐對30Cr13鋼刀具進行淬火加熱時，考慮到裝爐量和爐溫均勻性，宜采用較低（980～1 030℃）的奧氏體化溫度和較長（30～90 min）的保溫時間。而采用網帶爐、步進式爐等連續式爐進行熱處理時，由于刀具加熱較均勻，宜采用1 080℃保溫5～8 min的奧氏體化工藝，以便在確保淬火質量的前提下提高生產率、降低熱處理成本。

4 結論

（1）30Cr13鋼于980～1 030℃奧氏體化8 min淬火，其硬度隨著奧氏體化溫度的提高而迅速提高；在1 030～1 130℃奧氏體化8 min淬火，其硬度隨著奧氏體化溫度的提高略有增加。

（2）980℃奧氏體化30 min淬火的鋼的硬度約為576 HV0.2；1 080℃奧氏體化8 min淬火的鋼的硬度可達650 HV0.2左右。

（3）在保證30Cr13刀具熱處理質量的前提下，采用網帶爐、步進式等連續式爐進行熱處理時，可選用較高的奧氏體化溫度（＞1 030℃）和較短的保溫時間（5～8 min），以提高生產率。