西安Cr13不銹鋼棒的鍛造

西安Cr13型馬氏體不銹鋼由于具有一定的耐蝕性及耐熱性，應(yīng)用廣泛，如固定盤、滑動(dòng)盤、閥桿、活塞桿等。這類鋼由于Cr元素含量較高，且過冷奧氏體組織比較穩(wěn)定，熱鍛后空冷就能得到馬氏體組織。由于12Cr13含有一定量的鐵素體，有的文獻(xiàn)上把12Cr13稱作馬氏體-鐵素體雙相鋼。由于30Cr13鋼具有較高的含碳量，而Cr元素含量又較高，S點(diǎn)左移，30Cr13已經(jīng)屬于微過共析鋼，組織中存在過剩的碳化物；由于Cr13型馬氏體不銹鋼中鉻元素的大量加入，使Fe-Cr-C狀態(tài)圖較Fe-C狀態(tài)圖發(fā)生了較大變化，并使C曲線大大向右推移，臨界冷卻速度大大降低，淬透性明顯提高，開裂的風(fēng)險(xiǎn)也明顯提高。

在實(shí)際的鍛造生產(chǎn)過程中，往往由于操作人員對(duì)這類鋼的特性了解不夠，不遵守工藝規(guī)范導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)裂紋而報(bào)廢。如：曾經(jīng)有一批30Cr13活塞桿鍛件全部報(bào)廢，給公司造成了很大的損失，但在實(shí)際工作當(dāng)中，卻把裂紋發(fā)生的原因看作是原材料質(zhì)量問題。為此，本文根據(jù)金屬學(xué)原理，對(duì)若干問題進(jìn)行了分析。

西安Cr13不銹鋼棒原材料

用于鍛造的原材料，來自特鋼鋼廠生產(chǎn)的鋼錠或經(jīng)過快鍛油壓機(jī)鍛造的圓棒。由于不銹鋼的合金元素較多，導(dǎo)熱性不好，冷卻速度較慢，鋼錠在結(jié)晶凝固過程中容易產(chǎn)生較大的初生柱狀晶，偏析比較嚴(yán)重，而且晶界富集雜質(zhì)，在鋼錠進(jìn)行鍛造或軋制時(shí)，晶界就成了薄弱環(huán)節(jié)，容易沿晶界開裂；在經(jīng)過快鍛油壓機(jī)鍛造或軋制的鋼坯往往會(huì)出現(xiàn)許多表面缺陷，這些表面缺陷在加熱及鍛造時(shí)會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。因此，鋼廠在供應(yīng)坯料時(shí)，一般都進(jìn)行車削剝皮，有的則用砂輪修磨。但是鋼廠對(duì)表面缺陷的往往不夠徹底，特別是用砂輪修磨的表面，仔細(xì)檢查仍可發(fā)現(xiàn)一些殘留的細(xì)小裂紋。如：2016年元月份，某公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為KF436.1-1999、規(guī)格代號(hào)為65×1525的30Cr13氧氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)用活塞桿，原材料規(guī)格為φ120mm×970mm，材料表面有明顯砂輪修磨的痕跡，且修磨得不夠徹底，缺陷較深。在鍛造加熱時(shí)，缺陷急劇向深處擴(kuò)展，結(jié)果導(dǎo)致鍛造以后發(fā)生斷裂，因此必須加強(qiáng)材料的入庫檢驗(yàn)。如果在鍛造過程中發(fā)現(xiàn)有裂紋，應(yīng)將裂紋干凈后再鍛。

西安Cr13不銹鋼棒加熱與鍛造溫度

由于Cr13型馬氏體不銹鋼Cr含量較高，使Cr13型馬氏體不銹鋼在700～800℃以下的導(dǎo)熱系數(shù)大大降低。例如，低碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)在100℃時(shí)為0.586J/cm·℃/s，而Cr13型馬氏體不銹鋼則為0.25～0.29J/cm·℃/s。由于Cr13型馬氏體不銹鋼這樣低的導(dǎo)熱系數(shù)，加熱時(shí)入爐溫度應(yīng)低于400℃并緩慢加熱，以避免由于熱應(yīng)力過大而出現(xiàn)內(nèi)部橫向裂紋，進(jìn)入塑性區(qū)以后可以加快升溫速度。加熱時(shí)應(yīng)采用四段或五段加熱規(guī)范：**階段隨爐緩慢升溫至800～850℃；**階段在800～850℃時(shí)，視直徑大小及裝爐量確定保溫時(shí)間，使坯料整個(gè)截面溫度均勻，以減小熱應(yīng)力；第三階段由于高溫時(shí)Cr13型馬氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)增大，這時(shí)可以以較大的速度繼續(xù)升溫至規(guī)定的加熱溫度；第四階段在設(shè)定溫度下保溫一定的時(shí)間，使坯料整個(gè)截面溫度均勻。

西安Cr13不銹鋼棒鋼中由于Cr元素的大量加入，使Fe-Cr平衡圖發(fā)生了很大的變化（圖1），Cr13馬氏體不銹鋼出現(xiàn)δ鐵素體的溫度區(qū)域大致在1000～1260℃，溫度越高，加熱時(shí)間越長，δ鐵素體的量越多。鋼的牌號(hào)不同化學(xué)成分不同，形成δ鐵素體的溫度范圍也有所不同。由于組織由δ+γ兩相組成，材料的塑性降低，鍛造時(shí)增加了開裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)將12Cr13鋼的鍛造加熱溫度控制在1100～1150℃（有些資料推薦1150～1180℃）。另外，如果加熱溫度過高，不僅是12Cr13，20Cr13也將形成大量的δ鐵素體，因此20Cr13鋼的鍛造加熱溫度應(yīng)不超過1150℃，微過共析成分的30Cr13鋼的鍛造加熱溫度控制在1100℃即可。Cr13型馬氏體不銹鋼中的δ鐵素體很多時(shí)候是由原材料帶來的，原材料在冶煉時(shí)由于配料不合理，奧氏體形成元素（如碳元素等）含量偏低，鐵素體形成元素（如鉻元素、鉬元素及釩元素等）含量較高而操作又不規(guī)范，造成微區(qū)偏析，即形成鐵素體元素微區(qū)偏聚，從而增加了δ鐵素體含量，因此在原材料采購時(shí)有必要控制δ鐵素體的含量，原材料進(jìn)廠時(shí)應(yīng)進(jìn)行δ鐵素體含量的檢查。

在實(shí)際生產(chǎn)中，即使按上述溫度加熱了，還得注意按規(guī)定的保溫時(shí)間加熱坯料。通常工件一次裝爐數(shù)十件，只有開頭鍛造的幾件保溫時(shí)間是符合要求的，待鍛到后面的工件時(shí)，實(shí)際保溫時(shí)間已經(jīng)大大超過規(guī)定要求了，這樣一來，過長的保溫時(shí)間將使坯料嚴(yán)重過熱，δ鐵素體的量增加，因此要根據(jù)爐膛溫度的不均勻性及工作完成情況，從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移至高溫區(qū)，以避免坯料在高溫區(qū)加熱時(shí)間過長而嚴(yán)重過熱，產(chǎn)生大量的δ鐵素體，工件塑性降低，導(dǎo)致變形困難及熱處理后機(jī)械性能下降。

由于Cr13型馬氏體不銹鋼合金元素含量較高，變形抗力大，鍛造時(shí)應(yīng)采取輕-重-輕的鍛造方法，嚴(yán)格控制相對(duì)送進(jìn)量，把相對(duì)送進(jìn)量控制在（0.5～0.8）倍的鍛件高度，不允許在同一部位連擊；倒棱及滾圓時(shí)，要采取輕打的方法，避免重?fù)簟⑦B擊，發(fā)現(xiàn)缺陷后應(yīng)立即，接近終鍛溫度時(shí)只允許小的變形量。另外，每一火次的變形程度都應(yīng)與該火次的鍛造溫度相匹配，以免晶粒粗大。

西安Cr13不銹鋼棒的終鍛溫度取決于冷卻時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度。在西北工業(yè)大學(xué)張志文教授主編的《鍛造工藝學(xué)》中明確指出了亞共析鋼的終鍛溫度應(yīng)控制在A3線以上15～50℃；對(duì)于12Cr13、20Cr13馬氏體不銹鋼來說，終鍛溫度不應(yīng)低于900℃；由于30Cr13馬氏體不銹鋼含有微過共析成分，如果終鍛溫度較高，會(huì)在晶界上析出二次碳化物而且呈網(wǎng)狀分布，這樣將會(huì)增加后續(xù)熱處理開裂的風(fēng)險(xiǎn)，所以30Cr13馬氏體不銹鋼的終鍛溫度一般控制在850℃。

在生產(chǎn)過程中，如果我們?cè)谶^低的溫度下鍛造，工件就會(huì)增大開裂的風(fēng)險(xiǎn)。如帶孔類鍛件沖孔時(shí)內(nèi)孔開裂，就是由于在沖孔時(shí)沖頭未預(yù)熱或預(yù)熱溫度不足，內(nèi)壁溫度下降，而沖頭周圍的圓環(huán)區(qū)由于脹形坯料直徑增大，圓環(huán)切向產(chǎn)生拉應(yīng)力，繼續(xù)錘擊造成開裂。

西安Cr13不銹鋼棒鍛件的冷卻

Cr13型馬氏體不銹鋼的鍛后冷卻是熱加工工藝中十分重要的工序，13%的Cr加入鋼中使C曲線較普通碳鋼大大向右推移，見圖2。

西安12Cr13不銹鋼的淬透時(shí)間為60秒，而40Cr13不銹鋼的淬透時(shí)間就增加到了300秒。直徑100mm的工件在空氣中冷卻就相當(dāng)于直徑8mm的普通碳鋼淬入水中，可使其心部全部淬透，得到馬氏體組織。由連續(xù)冷卻曲線可知，要獲得100%珠光體轉(zhuǎn)變，必須使Cr13型馬氏體不銹鋼在680℃左右保持非常緩慢的冷卻速度，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，僅僅將鍛好的鍛件放在石灰槽中，待一批鍛件全部鍛完后再在上面加一個(gè)鐵蓋子的做法毫無意義，比較大的鍛件還好，比較小的鍛件冷卻速度仍然較快，達(dá)不到使奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的目的。如果我們有條件根據(jù)奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，將終鍛溫度的鍛件立即置于700℃的等溫加熱爐中，保溫一段時(shí)間，可使整個(gè)鍛件溫度均勻，從有關(guān)熱處理手冊(cè)中，我們知道30Cr13馬氏體不銹鋼這一轉(zhuǎn)變持續(xù)時(shí)間只需要十幾分鐘就足夠了，20Cr13馬氏體不銹鋼只需要二十幾分鐘。

我公司30Cr13活塞桿及20Cr13滑動(dòng)盤鍛件，*初鍛后就是放在200℃以上的石灰槽中，等于就是在空氣中冷卻，結(jié)果出現(xiàn)冷卻裂紋。隨著溫度的降低，鍛件表面首先到達(dá)Ms點(diǎn)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，而心部溫度仍然較高，仍為奧氏體，由于馬氏體的比容較奧氏體的比容大，即在表面發(fā)生體積膨脹，此時(shí)表面為壓應(yīng)力、心部則為拉應(yīng)力。隨著溫度的下降，心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹，表面已經(jīng)是馬氏體，限制了心部的膨脹，從而表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，心部則為壓應(yīng)力；鍛件鍛后出現(xiàn)冷卻裂紋正是由于鍛件表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，且為切向拉應(yīng)力，加上鍛件變形殘余應(yīng)力，而鍛后一般晶粒較為粗大，斷裂抗力較低，當(dāng)應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鍛件表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋，且裂紋延伸方向?yàn)?大主應(yīng)力方向。

因此，我們不難理解為什么鍛件在鍛造時(shí)完好，冷卻到室溫后放置一段時(shí)間，鍛件會(huì)自行開裂，有時(shí)甚至能夠聽到開裂的聲音。很多時(shí)候，鍛件開裂是在鍛后熱處理之后，甚至是在鋸切或切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)的，一些人卻想當(dāng)然地認(rèn)為開裂是鍛后熱處理造成的，甚至要求對(duì)此類鋼鍛件進(jìn)行多次的鍛后熱處理。

西安Cr13不銹鋼棒鍛件的退火處理

盡管將處于終鍛溫度的鍛件立即放入熱石灰中冷卻，可以避免冷卻裂紋的產(chǎn)生，但是對(duì)于一些截面尺寸比較小的鍛件而言冷卻速度仍然很快。由于Cr13型馬氏體不銹鋼中Cr元素含量較高，C曲線大大右移，臨界冷卻速度大大降低，淬透性大大增大，這時(shí)鍛件就會(huì)開始淬火，比較小的工件就有可能淬透，這時(shí)*大拉應(yīng)力位于工件的表面，工件表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)就大大增加，為此必須盡快對(duì)鍛件進(jìn)行完全退火處理，以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善組織、消除應(yīng)力及降低硬度的目的。

鍛件的完全退火是將鍛件加熱到840～900℃（常用860℃），保溫一段時(shí)間，以極其緩慢的速度隨爐冷卻，爐冷至600℃左右，出爐空冷。完全退火后的金相組織為鐵素體晶粒內(nèi)分布著粒狀碳化物或沿晶界上分布著網(wǎng)狀碳化物顆粒。12Cr13不銹鋼退火后的硬度可降至200HB以下，20Cr13不銹鋼退火后硬度可降低至229HB以下，30Cr13不銹鋼退火后硬度可降低至235HB以下。如果僅僅是為了消除應(yīng)力和降低硬度，可采用高溫回火的方法，也有人稱之為低溫退火，就是把鍛件加熱到680～780℃（通常采用750～780℃），然后出爐空冷，使在空冷過程中生成的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，處理后12Cr13不銹鋼的硬度可降低至190～200HB，20Cr13、30Cr13不銹鋼的硬度可降低至200～230HB，后者保溫時(shí)間應(yīng)長一些。也可以采用前面所述的等溫退火的方法，將鍛件加熱到奧氏體化溫度，然后在700℃進(jìn)行等溫處理。

西安Cr13不銹鋼棒鍛造結(jié)論

⑴在鍛造前，可以采用精加工的方法，把原材料的表面缺陷干凈，如果在鍛造時(shí)出現(xiàn)裂紋，立即清理，然后再鍛。

⑵12Cr13、20Cr13不銹鋼的鍛造加熱溫度以1100～1150℃為宜，過高的加熱溫度會(huì)使δ鐵素體增多，塑性下降，增加開裂風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)工件的沖擊吸收功非常不利；30Cr13不銹鋼的鍛造加熱溫度以1100℃為宜。

⑶Cr13馬氏體不銹鋼合金元素含量較高，塑性差，宜輕打，不宜在同一位置連擊，以防止十字形裂紋或?qū)蔷€裂紋的產(chǎn)生。

⑷12Cr13、20Cr13馬氏體不銹鋼的終鍛溫度以900℃為宜，30Cr13馬氏體不銹鋼的終鍛溫度以850℃為宜。

⑸Cr13馬氏體不銹鋼鍛后冷卻極其重要，應(yīng)在200℃的熱石灰（我們用的是上等金黃色的蛭石粉，使用之前用經(jīng)過加熱的廢工件把其中的水分蒸發(fā)掉）中進(jìn)行，鍛好一件埋一件，盡可能地降低冷卻速度，盡可能保證奧氏體向珠光體組織的轉(zhuǎn)變并及時(shí)熱處理。

⑹建議*好采用等溫處理的方法，即將終鍛溫度的鍛件立即置于700℃的等溫?zé)崽幚頎t中進(jìn)行等溫處理。