0Cr16Ni5Mo鋼是一種低碳馬氏體不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、耐腐蝕性能和耐疲勞性能，同時(shí)還具有良好的焊接性能，因此用來(lái)生產(chǎn)閥門、渦輪組件、螺母和螺栓、軸、銷、活塞、攪拌器等，廣泛應(yīng)用于化工、能源、船舶、海洋、航空等行業(yè)。通常0Cr16Ni5Mo鋼在使用狀態(tài)下組織為回火馬氏體+殘留奧氏體+少量δ-鐵素體，其中δ相的存在會(huì)影響0Cr16Ni5Mo鋼的韌性和塑性，并隨著δ相含量的增加會(huì)嚴(yán)重惡化材料的韌性[1-4]。本文采用不同熱處理制度，探究了0Cr16Ni5Mo鋼晶粒度和δ-鐵素體含量的控制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用0Cr16Ni5Mo鋼采用真空感應(yīng)+保護(hù)氣氛電渣重熔工藝冶煉，后續(xù)快鍛成形，規(guī)格φ100 mm，然后650 ℃退火，化學(xué)成分如表1所示。采用JMatPro模擬軟件計(jì)算出0Cr16Ni5Mo鋼在該成分含量下的平衡狀態(tài)組織轉(zhuǎn)變曲線及馬氏體熱力學(xué)轉(zhuǎn)變曲線。

在0Cr16Ni5Mo鋼棒材頭部截取20 mm厚試片，截取中心區(qū)域若干塊尺寸為20 mm×10 mm×10 mm試樣。研究淬火和高溫?cái)U(kuò)散工藝對(duì)δ-鐵素體含量及分布的影響，分別在930、1030、1130、1230 ℃保溫40 min 進(jìn)行油冷淬火處理；分別在1130 ℃和1230 ℃進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理，保溫時(shí)間分別為120、240 min，然后油冷。另外再對(duì)高溫?cái)U(kuò)散后試樣分別進(jìn)行不同方式的循環(huán)熱處理試驗(yàn)，研究循環(huán)熱處理工藝對(duì)細(xì)化晶粒的影響。采用3次等溫循環(huán)熱處理，及兩次變溫循環(huán)熱處理，具體工藝曲線見(jiàn)圖1和圖2。

表1 0Cr16Ni5Mo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

0Cr16Ni5Mo鋼在830 ℃等溫循環(huán)熱處理后的顯微組織(a)1130 ℃×240 min高溫?cái)U(kuò)散退火;(b)第1次；(c)第2次；(d)第3次Fig.10 Microstructure of the 0Cr16Ni5Mo steel after isothermal cyclic heat treatment at 830 ℃(a) high-temperature diffused at 1130 ℃ for 240 min; (b) after first cycle; (c) after second cycle; (d) after third cycle

采用850 ℃×15 min水冷和830 ℃×15min水冷，兩種方式分別對(duì)0Cr16Ni5Mo鋼進(jìn)行3次循環(huán)熱處理。經(jīng)循環(huán)熱處理后0Cr16Ni5Mo鋼的顯微組織(見(jiàn)圖9和圖10)可以看出，在850 ℃循環(huán)1次時(shí)，高溫?cái)U(kuò)散組織在奧氏體單相區(qū)發(fā)生了再結(jié)晶，由原始均勻的3級(jí)晶粒變?yōu)槌霈F(xiàn)細(xì)晶的混晶狀態(tài)，消除了由奧氏體與馬氏體保持K-S晶體學(xué)關(guān)系而導(dǎo)致的馬氏體組織遺傳特性；當(dāng)在該溫度下進(jìn)行2次循環(huán)時(shí)，發(fā)生了完全再結(jié)晶，長(zhǎng)成了4級(jí)等軸晶；進(jìn)行到3次循環(huán)時(shí)晶粒未發(fā)生明顯變化。而在830 ℃進(jìn)行循環(huán)相變熱處理時(shí)，原始組織由均勻的等軸晶依次變?yōu)榫哂猩倭考?xì)晶的混晶狀態(tài)，再到細(xì)晶不斷增多的混晶組織。由以上分析可知，在循環(huán)熱處理中，以到溫的方式進(jìn)行裝爐，試樣尺寸較小(20 mm×10 mm×10 mm)，則加熱速度較快，使得部分碳和合金原素向原先馬氏體板條邊界或束界上偏聚過(guò)程受到抑制，無(wú)法鞏固板條的晶體學(xué)位向，同時(shí)奧氏體形核功小，發(fā)生相硬化的奧氏體在相變儲(chǔ)能和界面能的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)生奧氏體自發(fā)再結(jié)晶，在晶界和晶內(nèi)形成球形奧氏體，消除了組織遺傳現(xiàn)象。另外由于在850 ℃第2次循環(huán)熱處理時(shí)受形核界面限制，相變儲(chǔ)能的累積，自發(fā)再結(jié)晶的細(xì)小奧氏體晶粒隨之發(fā)生聚集再結(jié)晶而長(zhǎng)大；第3次受馬氏體組織遺傳的影響，在同樣的溫度作用下，較第2次循環(huán)熱處理晶粒未發(fā)生明顯變化。而在830 ℃循環(huán)熱處理時(shí)，主要受溫度影響，原子擴(kuò)散速度減慢，不利于奧氏體點(diǎn)陣的重新構(gòu)成，則從奧氏體自發(fā)再結(jié)晶到聚集長(zhǎng)大的整個(gè)過(guò)程都比較緩慢，使其處于混晶狀態(tài)。

2.3.2 變溫循環(huán)相變熱處理

針對(duì)等溫相變熱處理出現(xiàn)的奧氏體晶粒聚集長(zhǎng)大和混晶兩種狀態(tài)，現(xiàn)分別采用850 ℃×15 min水冷+830 ℃×15 min水冷和830 ℃×15 min水冷+850 ℃×15min水冷兩種方式對(duì)其進(jìn)行2次循環(huán)熱處理。從圖11、圖12可以看出，采用這兩種變溫循環(huán)熱處理的試樣均得到了晶粒細(xì)化，從原來(lái)的3級(jí)等軸晶變成了9級(jí)的細(xì)晶。分析認(rèn)為，這是由于2次在不同溫度循環(huán)處理的快速加熱冷卻中，使得馬氏體的亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)不斷增殖，發(fā)生位錯(cuò)的纏繞，產(chǎn)生相強(qiáng)化，此時(shí)界面能以及累積的相變儲(chǔ)能足以使得0Cr16Ni5Mo鋼在逆相變過(guò)程中發(fā)生奧氏體自發(fā)再結(jié)晶而不出現(xiàn)聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象，以達(dá)到奧氏體晶粒均勻細(xì)小的目的。

圖11 0Cr16Ni5Mo鋼在850 ℃+830 ℃變溫循環(huán)熱處理后的顯微組織(a)1130 ℃×240 min高溫?cái)U(kuò)散退火;(b)第1次;(c)第2次Fig.11 Microstructure of the 0Cr16Ni5Mo steel after variable temperature cyclic heat treatment at 850 ℃ and 830 ℃(a) high-temperature diffused at 1130 ℃ for 240 min; (b) after first cycle; (c) after second cycle

3 討論

0Cr16Ni5Mo鋼中高溫鐵素體的形成主要與所含元素的含量有關(guān)。使用時(shí)，由于δ-鐵素體含量影響材料的塑韌性和耐蝕性，則一般需要控制在3%以內(nèi)。前期材料成分設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)C、N、Ni、Cu等奧氏體化形成元素，使其靠近成分的上限，使Cr、V、Si、Mo等鐵素體形成元素趨向于下限，以此提高Nieq/Creq比例，控制鐵素體含量。

0Cr16Ni5Mo鋼隨著淬火溫度的提高，馬氏體板條尺寸不斷增大，原子的遷移能力不斷增強(qiáng)，開始主要是δ體心立方結(jié)構(gòu)相向面心立方γ相轉(zhuǎn)化，但當(dāng)溫度達(dá)到1230 ℃時(shí)，γ相向δ相的轉(zhuǎn)化增強(qiáng)，使得高溫鐵素體整體回溶速度延緩，使得高溫鐵素體含量整體呈“U”形變化，先下降后增長(zhǎng)，同時(shí)出現(xiàn)奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象，因此淬火處理溶解鐵素體的能力非常有限。

實(shí)際生產(chǎn)中，0Cr16Ni5Mo鋼往往在非平衡狀態(tài)下凝固，發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，存在成分區(qū)域偏析。其中Cr、V、Si、Mo等鐵素體形成元素的嚴(yán)重偏析，驅(qū)使此處成分的凝固曲線相對(duì)于基體材料發(fā)生變化，奧氏體化區(qū)減小，在能量的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生結(jié)構(gòu)起伏，促使δ-鐵素體大量析出。此時(shí)可以在進(jìn)行熱加工成形前通過(guò)在1130 ℃進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散，達(dá)到鐵素體明顯減少的目的，而且更利于后期熱加工階段晶粒度的控制。材料在1230 ℃以上進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散時(shí)，基體組織粗大，原子擴(kuò)散增強(qiáng)，此時(shí)奧氏體向δ-鐵素體的逆轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng)，使得鐵素體出現(xiàn)回溶速度延緩的現(xiàn)象。后期隨著擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)及原子的遷移，成分更加均勻，金屬由非平衡凝固趨向于平衡態(tài)，使得δ相全部轉(zhuǎn)換為γ相，高溫鐵素體明顯減少，但材料表面的氧化會(huì)增加。

采用循環(huán)相變熱處理可以消除0Cr16Ni5Mo鋼的組織遺傳特性，細(xì)化晶粒。當(dāng)分別采用850 ℃×15 min水冷和830 ℃×15 min水冷兩種等溫循環(huán)熱處理時(shí)，在界面能和相變儲(chǔ)能的作用下，分別出現(xiàn)奧氏體再結(jié)晶聚集長(zhǎng)大、再結(jié)晶不完全的情況，均不能得到細(xì)小均勻的晶粒，說(shuō)明此時(shí)儲(chǔ)存能量分別處于過(guò)飽和及欠飽和狀態(tài)。而依次通過(guò)850 ℃×15 min水冷+830 ℃×15 min水冷或830 ℃×15 min水冷+850 ℃×15 min水冷變溫循環(huán)熱處理，此時(shí)能量處于發(fā)生再結(jié)晶而不長(zhǎng)大的臨界狀態(tài)，均實(shí)現(xiàn)了奧氏體晶粒的細(xì)小均勻化。

4 結(jié)論

1) 隨著淬火溫度的提高，0Cr16Ni5Mo鋼的奧氏體晶粒度不斷增大，而減少δ-鐵素體的能力相對(duì)有限。

2) 高溫?cái)U(kuò)散能使0Cr16Ni5Mo鋼中δ-鐵素體明顯減少。1130 ℃擴(kuò)散溫度最為適宜，當(dāng)高溫?cái)U(kuò)散溫度大于1230 ℃，即大于奧氏體向δ-鐵素體轉(zhuǎn)換溫度時(shí)，鐵素體溶解所需時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，表面氧化會(huì)增加。

3) 在進(jìn)行1130 ℃的高溫?cái)U(kuò)散后，0Cr16Ni5Mo鋼可以采用在850 ℃和830 ℃的2次變溫循環(huán)相變熱處理，消除馬氏體的組