西安Cr13不鏽鋼棒的鍛造

西安Cr13不鏽鋼棒的鍛造

西安Cr13型馬氏體不鏽鋼由於具有一定的耐蝕性及耐熱性，應用廣泛，如固定盤、滑動盤、閥杆、活塞杆等。這類鋼由於Cr元素含量較高，且過冷奧氏體組織比較穩定，熱鍛後空冷就能得到馬氏體組織。由於12Cr13含有一定量的鐵素體，有的文獻上把12Cr13稱作馬氏體-鐵素體雙相鋼。由於30Cr13鋼具有較高的含碳量，而Cr元素含量又較高，S點左移，30Cr13已經屬於微過共析鋼，組織中存在過剩的碳化物；由於Cr13型馬氏體不鏽鋼中鉻元素的大量加入，使Fe-Cr-C狀態圖較Fe-C狀態圖發生了較大變化，並使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，開裂的風險也明顯提高。

在實際的鍛造生產過程中，往往由於操作人員對這類鋼的特性了解不夠，不遵守工藝規範導致鍛件出現裂紋而報廢。如：曾經有一批30Cr13活塞杆鍛件全部報廢，給公司造成了很大的損失，但在實際工作當中，卻把裂紋發生的原因看作是原材料質量問題。為此，本文根據金屬學原理，對若乾問題進行了分析。

西安Cr13不鏽鋼棒原材料

用於鍛造的原材料，來自特鋼鋼廠生產的鋼錠或經過快鍛油壓機鍛造的圓棒。由於不鏽鋼的合金元素較多，導熱性不好，冷卻速度較慢，鋼錠在結晶凝固過程中容易產生較大的初生柱狀晶，偏析比較嚴重，而且晶界富集雜質，在鋼錠進行鍛造或軋製時，晶界就成了薄弱環節，容易沿晶界開裂；在經過快鍛油壓機鍛造或軋製的鋼坯往往會出現許多表麵缺陷，這些表麵缺陷在加熱及鍛造時會繼續擴展。因此，鋼廠在供應坯料時，一般都進行車削剝皮，有的則用砂輪修磨。但是鋼廠對表麵缺陷的往往不夠徹底，特彆是用砂輪修磨的表麵，仔細檢查仍可發現一些殘留的細小裂紋。如：2016年元月份，某公司企業標準代號為KF436.1-1999、規格代號為65×1525的30Cr13氧氣壓縮機和氮氣壓縮機用活塞杆，原材料規格為φ120mm×970mm，材料表麵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，缺陷急劇向深處擴展，結果導致鍛造以後發生斷裂，因此必須加強材料的入庫檢驗。如果在鍛造過程中發現有裂紋，應將裂紋乾淨後再鍛。

西安Cr13不鏽鋼棒加熱與鍛造溫度

由於Cr13型馬氏體不鏽鋼Cr含量較高，使Cr13型馬氏體不鏽鋼在700～800℃以下的導熱係數大大降低。例如，低碳鋼的導熱係數在100℃時為0.586J/cm·℃/s，而Cr13型馬氏體不鏽鋼則為0.25～0.29J/cm·℃/s。由於Cr13型馬氏體不鏽鋼這樣低的導熱係數，加熱時入爐溫度應低於400℃並緩慢加熱，以避免由於熱應力過大而出現內部橫向裂紋，進入塑性區以後可以加快升溫速度。加熱時應采用四段或五段加熱規範：**階段隨爐緩慢升溫至800～850℃；**階段在800～850℃時，視直徑大小及裝爐量確定保溫時間，使坯料整個截麵溫度均勻，以減小熱應力；第三階段由於高溫時Cr13型馬氏體不鏽鋼的導熱係數增大，這時可以以較大的速度繼續升溫至規定的加熱溫度；第四階段在設定溫度下保溫一定的時間，使坯料整個截麵溫度均勻。

西安Cr13不鏽鋼棒鋼中由於Cr元素的大量加入，使Fe-Cr平衡圖發生了很大的變化（圖1），Cr13馬氏體不鏽鋼出現δ鐵素體的溫度區域大致在1000～1260℃，溫度越高，加熱時間越長，δ鐵素體的量越多。鋼的牌號不同化學成分不同，形成δ鐵素體的溫度範圍也有所不同。由於組織由δ+γ兩相組成，材料的塑性降低，鍛造時增加了開裂的風險，因此應將12Cr13鋼的鍛造加熱溫度控製在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不超過1150℃，微過共析成分的30Cr13鋼的鍛造加熱溫度控製在1100℃即可。Cr13型馬氏體不鏽鋼中的δ鐵素體很多時候是由原材料帶來的，原材料在冶煉時由於配料不合理，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範，造成微區偏析，即形成鐵素體元素微區偏聚，從而增加了δ鐵素體含量，因此在原材料采購時有必要控製δ鐵素體的含量，原材料進廠時應進行δ鐵素體含量的檢查。

在實際生產中，即使按上述溫度加熱了，還得注意按規定的保溫時間加熱坯料。通常工件一次裝爐數十件，隻有開頭鍛造的幾件保溫時間是符合要求的，待鍛到後麵的工件時，實際保溫時間已經大大超過規定要求了，這樣一來，過長的保溫時間將使坯料嚴重過熱，δ鐵素體的量增加，因此要根據爐膛溫度的不均勻性及工作完成情況，從低溫區轉移至高溫區，以避免坯料在高溫區加熱時間過長而嚴重過熱，產生大量的δ鐵素體，工件塑性降低，導致變形困難及熱處理後機械性能下降。

由於Cr13型馬氏體不鏽鋼合金元素含量較高，變形抗力大，鍛造時應采取輕-重-輕的鍛造方法，嚴格控製相對送進量，把相對送進量控製在（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，要采取輕打的方法，避免重擊、連擊，發現缺陷後應立即，接近終鍛溫度時隻允許小的變形量。另外，每一火次的變形程度都應與該火次的鍛造溫度相匹配，以免晶粒粗大。

西安Cr13不鏽鋼棒的終鍛溫度取決於冷卻時的奧氏體轉變溫度。在西北工業大學張誌文教授主編的《鍛造工藝學》中明確指出了亞共析鋼的終鍛溫度應控製在A3線以上15～50℃；對於12Cr13、20Cr13馬氏體不鏽鋼來說，終鍛溫度不應低於900℃；由於30Cr13馬氏體不鏽鋼含有微過共析成分，如果終鍛溫度較高，會在晶界上析出二次碳化物而且呈網狀分布，這樣將會增加後續熱處理開裂的風險，所以30Cr13馬氏體不鏽鋼的終鍛溫度一般控製在850℃。

在生產過程中，如果我們在過低的溫度下鍛造，工件就會增大開裂的風險。如帶孔類鍛件衝孔時內孔開裂，就是由於在衝孔時衝頭未預熱或預熱溫度不足，內壁溫度下降，而衝頭周圍的圓環區由於脹形坯料直徑增大，圓環切向產生拉應力，繼續錘擊造成開裂。

西安Cr13不鏽鋼棒鍛件的冷卻

Cr13型馬氏體不鏽鋼的鍛後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不鏽鋼的淬透時間為60秒，而40Cr13不鏽鋼的淬透時間就增加到了300秒。直徑100mm的工件在空氣中冷卻就相當於直徑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。由連續冷卻曲線可知，要獲得100%珠光體轉變，必須使Cr13型馬氏體不鏽鋼在680℃左右保持非常緩慢的冷卻速度，因此在實際生產過程中，僅僅將鍛好的鍛件放在石灰槽中，待一批鍛件全部鍛完後再在上麵加一個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，達不到使奧氏體向珠光體轉變的目的。如果我們有條件根據奧氏體等溫轉變曲線，將終鍛溫度的鍛件立即置於700℃的等溫加熱爐中，保溫一段時間，可使整個鍛件溫度均勻，從有關熱處理手冊中，我們知道30Cr13馬氏體不鏽鋼這一轉變持續時間隻需要十幾分鐘就足夠了，20Cr13馬氏體不鏽鋼隻需要二十幾分鐘。

我公司30Cr13活塞杆及20Cr13滑動盤鍛件，*初鍛後就是放在200℃以上的石灰槽中，等於就是在空氣中冷卻，結果出現冷卻裂紋。隨著溫度的降低，鍛件表麵首先到達Ms點發生馬氏體轉變，而心部溫度仍然較高，仍為奧氏體，由於馬氏體的比容較奧氏體的比容大，即在表麵發生體積膨脹，此時表麵為壓應力、心部則為拉應力。隨著溫度的下降，心部發生馬氏體轉變，體積膨脹，表麵已經是馬氏體，限製了心部的膨脹，從而表麵出現拉應力，心部則為壓應力；鍛件鍛後出現冷卻裂紋正是由於鍛件表麵出現拉應力，且為切向拉應力，加上鍛件變形殘餘應力，而鍛後一般晶粒較為粗大，斷裂抗力較低，當應力超過材料的抗拉強度時，鍛件表麵就會出現裂紋，且裂紋延伸方向為*大主應力方向。

因此，我們不難理解為什麼鍛件在鍛造時完好，冷卻到室溫後放置一段時間，鍛件會自行開裂，有時甚至能夠聽到開裂的聲音。很多時候，鍛件開裂是在鍛後熱處理之後，甚至是在鋸切或切削加工時發現的，一些人卻想當然地認為開裂是鍛後熱處理造成的，甚至要求對此類鋼鍛件進行多次的鍛後熱處理。

西安Cr13不鏽鋼棒鍛件的退火處理

儘管將處於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生，但是對於一些截麵尺寸比較小的鍛件而言冷卻速度仍然很快。由於Cr13型馬氏體不鏽鋼中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，這時鍛件就會開始淬火，比較小的工件就有可能淬透，這時*大拉應力位於工件的表麵，工件表麵開裂的風險就大大增加，為此必須儘快對鍛件進行完全退火處理，以達到細化晶粒、改善組織、消除應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。完全退火後的金相組織為鐵素體晶粒內分布著粒狀碳化物或沿晶界上分布著網狀碳化物顆粒。12Cr13不鏽鋼退火後的硬度可降至200HB以下，20Cr13不鏽鋼退火後硬度可降低至229HB以下，30Cr13不鏽鋼退火後硬度可降低至235HB以下。如果僅僅是為了消除應力和降低硬度，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℃），然後出爐空冷，使在空冷過程中生成的馬氏體轉變為回火索氏體，處理後12Cr13不鏽鋼的硬度可降低至190～200HB，20Cr13、30Cr13不鏽鋼的硬度可降低至200～230HB，後者保溫時間應長一些。也可以采用前麵所述的等溫退火的方法，將鍛件加熱到奧氏體化溫度，然後在700℃進行等溫處理。

西安Cr13不鏽鋼棒鍛造結論

⑴在鍛造前，可以采用精加工的方法，把原材料的表麵缺陷乾淨，如果在鍛造時出現裂紋，立即清理，然後再鍛。

⑵12Cr13、20Cr13不鏽鋼的鍛造加熱溫度以1100～1150℃為宜，過高的加熱溫度會使δ鐵素體增多，塑性下降，增加開裂風險，而且對工件的衝擊吸收功非常不利；30Cr13不鏽鋼的鍛造加熱溫度以1100℃為宜。

⑶Cr13馬氏體不鏽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對角線裂紋的產生。

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

⑸Cr13馬氏體不鏽鋼鍛後冷卻極其重要，應在200℃的熱石灰（我們用的是上等金黃色的蛭石粉，使用之前用經過加熱的廢工件把其中的水分蒸發掉）中進行，鍛好一件埋一件，儘可能地降低冷卻速度，儘可能保證奧氏體向珠光體組織的轉變並及時熱處理。

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於700℃的等溫熱處理爐中進行等溫處理。