西安Cr13不锈钢棒的锻造

西安Cr13不锈钢棒的锻造

西安Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢由于具有(yǒu)一定的耐蚀性及耐热性，应用(yòng)广泛，如固定盘、滑动盘、阀杆、活塞杆等。这类钢由于Cr元素含量较高，且过冷奥氏體(tǐ)组织比较稳定，热锻后空冷就能(néng)得到马氏體(tǐ)组织。由于12Cr13含有(yǒu)一定量的铁素體(tǐ)，有(yǒu)的文(wén)献上把12Cr13称作马氏體(tǐ)-铁素體(tǐ)双相钢。由于30Cr13钢具有(yǒu)较高的含碳量，而Cr元素含量又(yòu)较高，S点左移，30Cr13已经属于微过共析钢，组织中存在过剩的碳化物(wù)；由于Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢中铬元素的大量加入，使Fe-Cr-C状态图较Fe-C状态图发生了较大变化，并使C曲線(xiàn)大大向右推移，临界冷却速度大大降低，淬透性明显提高，开裂的风险也明显提高。

在实际的锻造生产过程中，往往由于操作人员对这类钢的特性了解不够，不遵守工艺规范导致锻件出现裂纹而报废。如：曾经有(yǒu)一批30Cr13活塞杆锻件全部报废，给公司造成了很(hěn)大的损失，但在实际工作当中，却把裂纹发生的原因看作是原材料质量问题。為(wèi)此，本文(wén)根据金属學(xué)原理(lǐ)，对若干问题进行了分(fēn)析。

西安Cr13不锈钢棒原材料

用(yòng)于锻造的原材料，来自特钢钢厂生产的钢锭或经过快锻油压机锻造的圆棒。由于不锈钢的合金元素较多(duō)，导热性不好，冷却速度较慢，钢锭在结晶凝固过程中容易产生较大的初生柱状晶，偏析比较严重，而且晶界富集杂质，在钢锭进行锻造或轧制时，晶界就成了薄弱环节，容易沿晶界开裂；在经过快锻油压机锻造或轧制的钢坯往往会出现许多(duō)表面缺陷，这些表面缺陷在加热及锻造时会继续扩展。因此，钢厂在供应坯料时，一般都进行車(chē)削剥皮，有(yǒu)的则用(yòng)砂轮修磨。但是钢厂对表面缺陷的往往不够彻底，特别是用(yòng)砂轮修磨的表面，仔细检查仍可(kě)发现一些残留的细小(xiǎo)裂纹。如：2016年元月份，某公司企业标准代号為(wèi)KF436.1-1999、规格代号為(wèi)65×1525的30Cr13氧气压缩机和氮气压缩机用(yòng)活塞杆，原材料规格為(wèi)φ120mm×970mm，材料表面有(yǒu)明显砂轮修磨的痕迹，且修磨得不够彻底，缺陷较深。在锻造加热时，缺陷急剧向深处扩展，结果导致锻造以后发生断裂，因此必须加强材料的入库检验。如果在锻造过程中发现有(yǒu)裂纹，应将裂纹干净后再锻。

西安Cr13不锈钢棒加热与锻造温度

由于Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢Cr含量较高，使Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢在700～800℃以下的导热系数大大降低。例如，低碳钢的导热系数在100℃时為(wèi)0.586J/cm·℃/s，而Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢则為(wèi)0.25～0.29J/cm·℃/s。由于Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢这样低的导热系数，加热时入炉温度应低于400℃并缓慢加热，以避免由于热应力过大而出现内部横向裂纹，进入塑性區(qū)以后可(kě)以加快升温速度。加热时应采用(yòng)四段或五段加热规范：**阶段随炉缓慢升温至800～850℃；**阶段在800～850℃时，视直径大小(xiǎo)及装炉量确定保温时间，使坯料整个截面温度均匀，以减小(xiǎo)热应力；第三阶段由于高温时Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢的导热系数增大，这时可(kě)以以较大的速度继续升温至规定的加热温度；第四阶段在设定温度下保温一定的时间，使坯料整个截面温度均匀。

西安Cr13不锈钢棒钢中由于Cr元素的大量加入，使Fe-Cr平衡图发生了很(hěn)大的变化（图1），Cr13马氏體(tǐ)不锈钢出现δ铁素體(tǐ)的温度區(qū)域大致在1000～1260℃，温度越高，加热时间越長(cháng)，δ铁素體(tǐ)的量越多(duō)。钢的牌号不同化學(xué)成分(fēn)不同，形成δ铁素體(tǐ)的温度范围也有(yǒu)所不同。由于组织由δ+γ两相组成，材料的塑性降低，锻造时增加了开裂的风险，因此应将12Cr13钢的锻造加热温度控制在1100～1150℃（有(yǒu)些资料推荐1150～1180℃）。另外，如果加热温度过高，不仅是12Cr13，20Cr13也将形成大量的δ铁素體(tǐ)，因此20Cr13钢的锻造加热温度应不超过1150℃，微过共析成分(fēn)的30Cr13钢的锻造加热温度控制在1100℃即可(kě)。Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢中的δ铁素體(tǐ)很(hěn)多(duō)时候是由原材料带来的，原材料在冶炼时由于配料不合理(lǐ)，奥氏體(tǐ)形成元素（如碳元素等）含量偏低，铁素體(tǐ)形成元素（如铬元素、钼元素及钒元素等）含量较高而操作又(yòu)不规范，造成微區(qū)偏析，即形成铁素體(tǐ)元素微區(qū)偏聚，从而增加了δ铁素體(tǐ)含量，因此在原材料采購(gòu)时有(yǒu)必要控制δ铁素體(tǐ)的含量，原材料进厂时应进行δ铁素體(tǐ)含量的检查。

在实际生产中，即使按上述温度加热了，还得注意按规定的保温时间加热坯料。通常工件一次装炉数十件，只有(yǒu)开头锻造的几件保温时间是符合要求的，待锻到后面的工件时，实际保温时间已经大大超过规定要求了，这样一来，过長(cháng)的保温时间将使坯料严重过热，δ铁素體(tǐ)的量增加，因此要根据炉膛温度的不均匀性及工作完成情况，从低温區(qū)转移至高温區(qū)，以避免坯料在高温區(qū)加热时间过長(cháng)而严重过热，产生大量的δ铁素體(tǐ)，工件塑性降低，导致变形困难及热处理(lǐ)后机械性能(néng)下降。

由于Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢合金元素含量较高，变形抗力大，锻造时应采取轻-重-轻的锻造方法，严格控制相对送进量，把相对送进量控制在（0.5～0.8）倍的锻件高度，不允许在同一部位连击；倒棱及滚圆时，要采取轻打的方法，避免重击、连击，发现缺陷后应立即，接近终锻温度时只允许小(xiǎo)的变形量。另外，每一火次的变形程度都应与该火次的锻造温度相匹配，以免晶粒粗大。

西安Cr13不锈钢棒的终锻温度取决于冷却时的奥氏體(tǐ)转变温度。在西北工业大學(xué)张志(zhì)文(wén)教授主编的《锻造工艺學(xué)》中明确指出了亚共析钢的终锻温度应控制在A3線(xiàn)以上15～50℃；对于12Cr13、20Cr13马氏體(tǐ)不锈钢来说，终锻温度不应低于900℃；由于30Cr13马氏體(tǐ)不锈钢含有(yǒu)微过共析成分(fēn)，如果终锻温度较高，会在晶界上析出二次碳化物(wù)而且呈网状分(fēn)布，这样将会增加后续热处理(lǐ)开裂的风险，所以30Cr13马氏體(tǐ)不锈钢的终锻温度一般控制在850℃。

在生产过程中，如果我们在过低的温度下锻造，工件就会增大开裂的风险。如带孔类锻件冲孔时内孔开裂，就是由于在冲孔时冲头未预热或预热温度不足，内壁温度下降，而冲头周围的圆环區(qū)由于胀形坯料直径增大，圆环切向产生拉应力，继续锤击造成开裂。

西安Cr13不锈钢棒锻件的冷却

Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢的锻后冷却是热加工工艺中十分(fēn)重要的工序，13%的Cr加入钢中使C曲線(xiàn)较普通碳钢大大向右推移，见图2。

西安12Cr13不锈钢的淬透时间為(wèi)60秒(miǎo)，而40Cr13不锈钢的淬透时间就增加到了300秒(miǎo)。直径100mm的工件在空气中冷却就相当于直径8mm的普通碳钢淬入水中，可(kě)使其心部全部淬透，得到马氏體(tǐ)组织。由连续冷却曲線(xiàn)可(kě)知，要获得100%珠光體(tǐ)转变，必须使Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢在680℃左右保持非常缓慢的冷却速度，因此在实际生产过程中，仅仅将锻好的锻件放在石灰槽中，待一批锻件全部锻完后再在上面加一个铁盖子的做法毫无意义，比较大的锻件还好，比较小(xiǎo)的锻件冷却速度仍然较快，达不到使奥氏體(tǐ)向珠光體(tǐ)转变的目的。如果我们有(yǒu)条件根据奥氏體(tǐ)等温转变曲線(xiàn)，将终锻温度的锻件立即置于700℃的等温加热炉中，保温一段时间，可(kě)使整个锻件温度均匀，从有(yǒu)关热处理(lǐ)手册中，我们知道30Cr13马氏體(tǐ)不锈钢这一转变持续时间只需要十几分(fēn)钟就足够了，20Cr13马氏體(tǐ)不锈钢只需要二十几分(fēn)钟。

我公司30Cr13活塞杆及20Cr13滑动盘锻件，*初锻后就是放在200℃以上的石灰槽中，等于就是在空气中冷却，结果出现冷却裂纹。随着温度的降低，锻件表面首先到达Ms点发生马氏體(tǐ)转变，而心部温度仍然较高，仍為(wèi)奥氏體(tǐ)，由于马氏體(tǐ)的比容较奥氏體(tǐ)的比容大，即在表面发生體(tǐ)积膨胀，此时表面為(wèi)压应力、心部则為(wèi)拉应力。随着温度的下降，心部发生马氏體(tǐ)转变，體(tǐ)积膨胀，表面已经是马氏體(tǐ)，限制了心部的膨胀，从而表面出现拉应力，心部则為(wèi)压应力；锻件锻后出现冷却裂纹正是由于锻件表面出现拉应力，且為(wèi)切向拉应力，加上锻件变形残余应力，而锻后一般晶粒较為(wèi)粗大，断裂抗力较低，当应力超过材料的抗拉强度时，锻件表面就会出现裂纹，且裂纹延伸方向為(wèi)*大主应力方向。

因此，我们不难理(lǐ)解為(wèi)什么锻件在锻造时完好，冷却到室温后放置一段时间，锻件会自行开裂，有(yǒu)时甚至能(néng)够听到开裂的声音。很(hěn)多(duō)时候，锻件开裂是在锻后热处理(lǐ)之后，甚至是在锯切或切削加工时发现的，一些人却想当然地认為(wèi)开裂是锻后热处理(lǐ)造成的，甚至要求对此类钢锻件进行多(duō)次的锻后热处理(lǐ)。

西安Cr13不锈钢棒锻件的退火处理(lǐ)

尽管将处于终锻温度的锻件立即放入热石灰中冷却，可(kě)以避免冷却裂纹的产生，但是对于一些截面尺寸比较小(xiǎo)的锻件而言冷却速度仍然很(hěn)快。由于Cr13型马氏體(tǐ)不锈钢中Cr元素含量较高，C曲線(xiàn)大大右移，临界冷却速度大大降低，淬透性大大增大，这时锻件就会开始淬火，比较小(xiǎo)的工件就有(yǒu)可(kě)能(néng)淬透，这时*大拉应力位于工件的表面，工件表面开裂的风险就大大增加，為(wèi)此必须尽快对锻件进行完全退火处理(lǐ)，以达到细化晶粒、改善组织、消除应力及降低硬度的目的。

锻件的完全退火是将锻件加热到840～900℃（常用(yòng)860℃），保温一段时间，以极其缓慢的速度随炉冷却，炉冷至600℃左右，出炉空冷。完全退火后的金相组织為(wèi)铁素體(tǐ)晶粒内分(fēn)布着粒状碳化物(wù)或沿晶界上分(fēn)布着网状碳化物(wù)颗粒。12Cr13不锈钢退火后的硬度可(kě)降至200HB以下，20Cr13不锈钢退火后硬度可(kě)降低至229HB以下，30Cr13不锈钢退火后硬度可(kě)降低至235HB以下。如果仅仅是為(wèi)了消除应力和降低硬度，可(kě)采用(yòng)高温回火的方法，也有(yǒu)人称之為(wèi)低温退火，就是把锻件加热到680～780℃（通常采用(yòng)750～780℃），然后出炉空冷，使在空冷过程中生成的马氏體(tǐ)转变為(wèi)回火索氏體(tǐ)，处理(lǐ)后12Cr13不锈钢的硬度可(kě)降低至190～200HB，20Cr13、30Cr13不锈钢的硬度可(kě)降低至200～230HB，后者保温时间应長(cháng)一些。也可(kě)以采用(yòng)前面所述的等温退火的方法，将锻件加热到奥氏體(tǐ)化温度，然后在700℃进行等温处理(lǐ)。

西安Cr13不锈钢棒锻造结论

⑴在锻造前，可(kě)以采用(yòng)精加工的方法，把原材料的表面缺陷干净，如果在锻造时出现裂纹，立即清理(lǐ)，然后再锻。

⑵12Cr13、20Cr13不锈钢的锻造加热温度以1100～1150℃為(wèi)宜，过高的加热温度会使δ铁素體(tǐ)增多(duō)，塑性下降，增加开裂风险，而且对工件的冲击吸收功非常不利；30Cr13不锈钢的锻造加热温度以1100℃為(wèi)宜。

⑶Cr13马氏體(tǐ)不锈钢合金元素含量较高，塑性差，宜轻打，不宜在同一位置连击，以防止十字形裂纹或对角線(xiàn)裂纹的产生。

⑷12Cr13、20Cr13马氏體(tǐ)不锈钢的终锻温度以900℃為(wèi)宜，30Cr13马氏體(tǐ)不锈钢的终锻温度以850℃為(wèi)宜。

⑸Cr13马氏體(tǐ)不锈钢锻后冷却极其重要，应在200℃的热石灰（我们用(yòng)的是上等金黄色的蛭石粉，使用(yòng)之前用(yòng)经过加热的废工件把其中的水分(fēn)蒸发掉）中进行，锻好一件埋一件，尽可(kě)能(néng)地降低冷却速度，尽可(kě)能(néng)保证奥氏體(tǐ)向珠光體(tǐ)组织的转变并及时热处理(lǐ)。

⑹建议*好采用(yòng)等温处理(lǐ)的方法，即将终锻温度的锻件立即置于700℃的等温热处理(lǐ)炉中进行等温处理(lǐ)。