這三個(gè)牌號(hào)的鋼是常用于制造結(jié)構(gòu)件的馬氏體不銹鋼。在淬火后經(jīng)高溫回火，可獲得強(qiáng)度、塑、韌性的較好配合。除冶金產(chǎn)品的棒材、板材、絲材、帶材外，還被用于生產(chǎn)鑄件和鍛件。
一、退火
1Cr13不銹鋼、2Cr13不銹鋼、3Cr13不銹鋼可采用完全退火、等溫退火或低溫退火。
1. 完全退火
鋼的完全退火的加熱溫度一般在Ac3以上50~100℃,實(shí)際生產(chǎn)中，通常選用850~880℃。在充分保溫后，采用爐冷或最大不超過50℃/h的速度冷卻至600℃左右出爐空冷。通過完全退火，可較好地完成組織轉(zhuǎn)變過程，獲得均勻的鐵素體和碳化物的平衡態(tài)組織。
完全退火可改善鋼材鍛造、軋制、鑄造等加工后可能存在的不良組織，并為以后淬火、回火熱處理提供良好的組織保證；可以完全消除各種應(yīng)力，降低硬度，便于加工。
鍛軋態(tài)的1Cr13不銹鋼、2Cr13不銹鋼、3Cr13不銹鋼經(jīng)完全退火后，硬度分別不大于150HB,180HB和210HB.
一些對(duì)機(jī)械性能、耐腐蝕性能要求不高的零部件可以在完全退火狀態(tài)下使用。
2. 等溫退火
等溫退火是把鋼加熱到奧氏體化溫度（一般采用850~880℃),也可以將鋼材鍛造或鑄造后冷卻到這一溫度區(qū)間，充分保溫，再冷卻到該鋼奧氏體轉(zhuǎn)變最快的溫度范圍（俗稱轉(zhuǎn)變曲線的鼻子部分，為700~740℃)充分保溫，使奧氏體充分轉(zhuǎn)變后空冷。
等溫退火可以起到完全退火的作用，而且比完全退火縮短了占用加熱爐的時(shí)間，提高了效率。
在工作實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，這類馬氏體不銹鋼的等溫退火對(duì)改善不良的鍛造組織，提高淬火、回火后的力學(xué)性能，特別是提高沖擊韌性有著特殊的作用。
由某鍛造廠提供的一批泵軸，具體成分為（質(zhì)量％）：C,0.10; Si,0.34; Mn,0.36; S,0.01; P,0.028; Cr,11.67; Ni,0.56; Mo,0.30; Cu,0.01.成分符合該產(chǎn)品泵軸的材料標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定力學(xué)性能為：Rm≥690N/m㎡;R60.2≥550N/m㎡,A≥20%,Z≥60%;Akv≥65J.
我們進(jìn)行幾次熱處理，Akv、平均只能達(dá)到46.4~60J,始終達(dá)不到65J的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過對(duì)泵軸金相組織分析和對(duì)鍛件的生產(chǎn)過程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鍛造廠對(duì)軸料鍛造過程中沒有很好地控制停鍛溫度，停鍛后采用空冷方式，后又采用960~980℃溫度保溫后空冷，再經(jīng)700℃加熱保溫冷卻的熱處理工藝，廠方稱之為鍛后的正火、回火熱處理。這種生產(chǎn)過程可能產(chǎn)生不良組織并影響以后淬火、回火的組織和性能。因?yàn)?，根?jù)組織遺傳學(xué)理論，含較多有穩(wěn)定奧氏體作用的合金元素的鋼，由于合金元素對(duì)奧氏體的穩(wěn)定作用，鍛造之后的冷卻過程中不能獲得鐵素體和碳化物的平衡組織，而會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧钐卣黪r明的貝氏體組織或貝氏體與馬氏體的寓合組織，稱非平衡組織。在貝氏體轉(zhuǎn)變中，α相會(huì)與母相保持第二類共格關(guān)系，即在新舊兩相之間存在著明顯的晶體學(xué)位向關(guān)系。因此，泵軸在鍛造過程中可能形成的粗大、不均勻的奧氏體晶粒的外形和取向便通過粗大的和互成一定角度排列的貝氏體的非平衡組織被保留下來。
研究表明，鋼的非平衡組織再次加熱，發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，新相可能生成球形奧氏體，也可能生成針形奧氏體，或者同時(shí)生成兩種奧氏體。如果轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以針形奧氏體為主，則在加熱轉(zhuǎn)變完成后，鍛后得到的粗大的奧氏體晶粒組織會(huì)得到恢復(fù)并造成組織遺傳。可想而知，這種具有粗大的或不均勻的奧氏體，在淬火冷卻時(shí)必然得到粗大的或不均勻的馬氏體組織，經(jīng)回火后，獲得不均勻索氏體組織，這必將引起力學(xué)性能，特別是沖擊韌性的降低。
基于這種分析，我們將這批泵軸重新進(jìn)行了等溫退火處理，獲得了鐵素體和碳化物的平衡組織。
經(jīng)等溫退火的泵軸再用原淬火、回火工藝處理后（（970±10)℃加熱保溫后油冷，（685±10)℃加熱保溫后油冷），力學(xué)性能完全達(dá)到技術(shù)要求，實(shí)檢性能：Rm為790N/m㎡;R0.2為660N/m㎡;A為22%;Z為66%;Av,三個(gè)試樣分別為79.0J、74J和74J,平均為75.7J.未經(jīng)等溫退火的淬火、回火組織和經(jīng)等溫退火后的淬火、回火組織分別是圖4-11和圖4-12。
3. 低溫退火
馬氏體不銹鋼低溫退火，有的稱高溫回火（嚴(yán)格從定義上來講和作用目的方面看，稱高溫回火是不準(zhǔn)確的），是把鋼加熱到Ac1溫度以上（有時(shí)略低于Ac1溫度）至A3溫度以下，保溫后爐冷或空冷。這種退火可以使鋼軟化，便于加工和消除應(yīng)力。對(duì)于改善組織的作用遠(yuǎn)不如完全退火和等溫退火。
低溫退火一般用于較小的鑄件、鍛件或以后還經(jīng)淬火、回火熱處理的零部件。較大的鑄件、鍛件及應(yīng)力很大的零部件毛坯，還是采用完全退火或等溫退火為好。
1Cr13不銹鋼、2Cr13不銹鋼、3Cr13不銹鋼低溫退火溫度為740~780℃,如果以消除應(yīng)力為主要目的，可以降低加熱溫度至700℃左右。保溫后一般爐冷至500℃以下出爐空冷。
低溫退火后的硬度一般高于完全退火后的硬度30~40HB,依含碳量不同，可保持在180~230HB.當(dāng)然，低溫退火選擇的溫度越高，硬度越低。圖4-13和圖4-14分別顯示了1Cr13不銹鋼低溫退火和完全退火加熱溫度、保溫時(shí)間與硬度的關(guān)系及低溫退火與完全退火后的硬度差異。
1Cr13、2Cr13 鋼和3Cr13鋼完全退火后應(yīng)保證的機(jī)械性能見表4-4,實(shí)測性能見表4-5。
Cr13型不銹鋼經(jīng)退火處理，對(duì)耐腐蝕性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。這是因?yàn)橥嘶鸾M織為鐵素體和以（FeCr)23C6。為代表的合金碳化物。這種高鉻的合金碳化物的存在會(huì)降低基體中的含鉻量至低于保證耐腐蝕的11.7%的界限。另一方面，在高鉻碳化物的周圍會(huì)產(chǎn)生貧鉻區(qū)，這都使Cr13型不銹鋼的耐腐蝕性能降低。所以，退火狀態(tài)的Cr13型不銹鋼的耐腐蝕性不如淬火狀態(tài)。
二、淬火
1Cr13、2Cr13、3Cr13鋼淬火的主要目的是要獲得馬氏體組織。即將其加熱到A3以上的一個(gè)溫度范圍，使合金碳化物充分溶解，得到碳與鉻較均勻的奧氏體，然后，以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s下來，最終獲得馬氏體組織。
1. 淬火加熱
Cr13型馬氏體不銹鋼因含有較高的鉻含量，提高了相變點(diǎn)Ac3,又因大量的合金碳化物的存在，使組織中的碳和鉻元素分布不均，其在加熱過程中擴(kuò)散速度緩慢，所以，為使碳化物充分溶解，得到成分比較均勻的奧氏體及冷卻之后得到有足夠碳、鉻飽和度的均勻的馬氏體組織，這類鋼的淬火加熱溫度高于碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，即提高淬火加熱溫度并適當(dāng)延長保溫時(shí)間。
該類鋼導(dǎo)熱性差，特別是在較低溫度時(shí)，導(dǎo)熱性更差，為防止加熱過程中產(chǎn)生裂紋，保證零件的內(nèi)外溫差較小，在淬火加熱時(shí)應(yīng)控制加熱速度，或先行預(yù)熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在750℃以前，升溫速度應(yīng)不大于80℃/h。
1Cr13不銹鋼、2Cr13不銹鋼、3Cr13不銹鋼，因它們的含碳量不同，原始組織存在差異，所以，各自的淬火加熱溫度略有不同。
1Cr13不銹鋼由于含碳量較低，加熱到淬火溫度時(shí)，仍處于奧氏體和鐵素體兩相區(qū)的邊緣部分，組織中會(huì)含有一定量的鐵素體，見圖4-15。
淬火冷卻后，這部分未溶鐵素體保留在淬火鋼組織中。鐵素體量的多少，首先與含碳量有關(guān)，見圖4-16.此外，鉻的含量及鉬、硅的殘存量均產(chǎn)生影響。淬火鋼中鐵素體的存在，對(duì)硬度、機(jī)械性能，尤其是沖擊韌性會(huì)產(chǎn)生不良影響，所以，在對(duì)有較高機(jī)械性能要求的零件選用1Cr13鋼時(shí)，應(yīng)特殊提出成分控制條件。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，盡管1Cr13鋼成分都在標(biāo)準(zhǔn)的合格范圍內(nèi)，但當(dāng)實(shí)際含碳量低于0.11%,鉻量處于上限時(shí)（＞13%)組織中的鐵素體含量可達(dá)到15%~20%,而實(shí)際含碳量控制在0.12%~0.15%,含鉻量在下限時(shí)（＜12%),則組織中的鐵素體量可小于5%。
淬火加熱溫度對(duì)組織中的鐵素體含量也產(chǎn)生影響。從圖4-16可見，在成分一定時(shí)，加熱溫度在950~1100℃區(qū)間內(nèi)，鐵素體量保持在較低范圍。隨著加熱溫度升高，鐵素體量明顯增加。所以，在材料標(biāo)準(zhǔn)中推薦的1Cr13 鋼淬火加熱溫度為950~1000℃,但在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證碳及合金元素的充分溶解，常取淬火加熱溫度在1000~1050℃.更高的加熱溫度會(huì)引起組織中的鐵素體量增加及晶粒長大。
2Cr13、3Cr13不銹鋼相對(duì)于1Cr13不銹鋼來說，有更高的含碳量，一般情況下，淬火后組織中不會(huì)存在鐵素體，淬火加熱溫度的確定主要是保證鋼中的碳化物能充分溶解于奧氏體中，以保證淬火、回火后獲得理想的機(jī)械性能和耐腐蝕性。實(shí)踐證明，2Cr13、3Cr13鋼淬火加熱溫度選擇在980~1000℃且充分保溫即可，實(shí)際生產(chǎn)中的加熱溫度略提高一些，2Cr13淬火加熱溫度通常取1000~1030℃,而3Cr13鋼中碳化物偏多，實(shí)際生產(chǎn)中淬火加熱溫度取1020~1050℃即可。
更高的淬火加熱溫度不宜采用，因?yàn)楦叩臏囟葧?huì)引起奧氏體晶粒粗大，帶來不良作用，見圖4-17。
淬火加熱溫度更高還會(huì)引起淬火硬度下降，見圖4-18,這主要是由于合金元素和碳的過分溶解，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，淬火后會(huì)存在較多的殘留奧氏體的原因。
2. 淬火冷卻
1Cr13、2Cr13、3Cr13鋼，由于較高含鉻量的作用，使高溫奧氏體較穩(wěn)定，等溫轉(zhuǎn)變曲線右移。見圖4-19和圖4-20及圖4-9.在冷卻過程中不易發(fā)生珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，降低了臨界冷卻速度，見圖4-21.在較低的冷卻速度條件下，即可進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得馬氏體組織，采用空冷或油冷均可得到較高的淬火硬度。
但油冷卻比空氣冷卻的鋼在調(diào)質(zhì)硬度和強(qiáng)度相同的情況下，有更好的塑性和韌性。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于截面尺寸較大的零件或?qū)C(jī)械性能，尤其是塑性和韌性要求較高的零件，最好采用油冷，對(duì)于較小零件和形狀復(fù)雜，易產(chǎn)生淬火裂紋的零件可采用空冷。
1Cr13、2Cr13、3Cr13不銹鋼的臨界點(diǎn)（近似值）見表4-6。
三、回火
1Cr13、2Cr13、3Cr13不銹鋼淬火冷卻后，獲得以馬氏體為基體的組織，因其固溶了碳，使晶格扭曲，存在較大的應(yīng)力，組織不夠穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用，淬火后必須經(jīng)回火再使用。
這三種牌號(hào)的馬氏體不銹鋼普遍應(yīng)用于制造機(jī)械構(gòu)件，要求具有良好的綜合機(jī)械性能和一定的耐腐蝕性能，一般淬火后再經(jīng)高溫回火，即調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下使用?；鼗饻囟瓤筛鶕?jù)強(qiáng)韌性的要求選定在550~750℃之間，回火后的基體組織為索氏體，有的可能是保留淬火馬氏體位向的板條狀或粒狀索氏體。1Cr13鋼回火組織中還可能存在有淬火加熱時(shí)未溶的鐵素體。見圖4-22。
對(duì)于3Cr13不銹鋼，已屬于共析鋼，淬火后可獲得很高的硬度，也常用于制造有高硬度，高耐磨性能要求的零部件，如軸套、擋套、密封環(huán)等。這時(shí)可采用較低溫度的回火或者表面淬火后低溫回火，依據(jù)對(duì)使用硬度的要求，回火溫度確定在200~350℃之間，可獲得40~55HRC的硬度。而400~550℃之間的回火，由于組織中會(huì)析出彌散度很高的合金碳化物，耐腐蝕性降低，并產(chǎn)生較大的脆性，所以一般不推薦采用，只有用其制作彈性元件時(shí)，才采用這一區(qū)間的溫度回火，如3Cr13不銹鋼用于制造彈簧時(shí)，淬火油冷后在450℃左右回火，可保持硬度在45~50HRC。
1Cr13、2Cr13、3Cr13鋼回火溫度與硬度之間的關(guān)系曲線見圖4-23~圖4-25。
1Cr13、2Cr13、3Cr13鋼按硬度要求選定的回火溫度范圍見表4-7。
這三種鋼的回火冷卻一般采用空冷，如果對(duì)韌性有更高的要求時(shí)，也可采用油冷卻，特別是2Cr13鋼油冷比空冷的韌性有較大幅度的提高。
四、熱處理時(shí)需要注意的一些問題
1. 1Cr13(ZG1Cr13)鋼成分中碳含量的控制問題
在一些不銹鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)1Cr13(ZG1Cr13)鋼的含碳量標(biāo)注為不大于0.15%,這種對(duì)碳量無下限的控制為實(shí)際生產(chǎn)帶來了麻煩，主要反映在熱處理和熱處理質(zhì)量上。眾所周知，碳與硫、磷等有害元素不同，硫、磷控制得越低越好，而碳在馬氏體不銹鋼中的雙重作用決定了其含量應(yīng)有上限和下限控制，否則將滿足不了使用要求。當(dāng)1Cr13(ZG1Cr13)中的含碳量低于0.09%,而鉻又是標(biāo)準(zhǔn)中的中、上限時(shí)，組織中會(huì)存在較多量的鐵素體，這不僅保證不了熱處理后的機(jī)械性能，韌性很差，還會(huì)對(duì)復(fù)雜零件的鑄造生產(chǎn)產(chǎn)生不利作用。在工廠鑄造生產(chǎn)的ZG1Cr13葉輪中，就多次出現(xiàn)過因碳含量低而造成的質(zhì)量問題。比如，有一批ZG1Cr13泵葉輪經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，機(jī)械性能達(dá)不到指標(biāo)，特別是沖擊韌性很低，而且在葉輪開口部位葉片與蓋板相連接處根部產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過金相分析，組織中含有近20%左右的塊狀鐵素體，裂紋恰恰起源于鐵素體塊處，這是因?yàn)殍F素體強(qiáng)度低于基體組織，在鑄造和熱處理應(yīng)力的作用下，成為薄弱點(diǎn)而產(chǎn)生裂紋。后經(jīng)對(duì)這批鑄件成分復(fù)查，其含碳量只達(dá)0.07%,鉻為13.58%,硅為0.8%,正是由于碳含量過低而鉻、硅偏上限，致使鋼組織中產(chǎn)生了大量的鐵素體，并導(dǎo)致性能降低和產(chǎn)生鑄造裂紋。熱處理裂紋。后將鑄造葉輪ZG1Cr13的含碳量控制為不低于0.10%,最佳控制范圍為0.12%~0.14%,再?zèng)]發(fā)生過同類質(zhì)量問題。
2. 回火脆性問題
關(guān)于Cr13型馬氏體不銹鋼的回火脆性問題還缺乏系統(tǒng)的研究，一般認(rèn)為其存在回火脆性，特別是2Cr13鋼回火脆性更敏感一些。這幾種鋼應(yīng)用于制造機(jī)械構(gòu)件時(shí)，常在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，對(duì)第二類回火脆性尤應(yīng)注意，當(dāng)要求有高韌性時(shí)，回火時(shí)應(yīng)采用油冷。表4-8顯示了不同回火冷卻方法對(duì)2Cr13鋼沖擊韌性的影響。
3. 3Cr13 鋼淬火裂紋問題
在馬氏體不銹鋼中，3Cr13鋼的含碳量較高，淬火冷卻，特別是油冷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度又低，易產(chǎn)生淬火裂紋。所以，3Cr13鋼淬火時(shí)，應(yīng)注意防止裂紋的發(fā)生?？刹扇∫韵乱恍┐胧?。
①. 盡量在粗加工后淬火
因?yàn)殄懺旎蜍堉婆骷谋砻婵赡艽嬖诩?xì)紋、劃痕等、將成為淬火應(yīng)力集中點(diǎn)和淬火裂紋的誘因。如粗加工確實(shí)有困難，可用砂輪等工具磨掉表面缺陷。
②. 控制淬火加熱速度
這類鋼一般都是塑性差、導(dǎo)熱性不好。淬火加熱速度過快，表面與心部溫差增大，在表面層已發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，內(nèi)層還處于較低溫度的低塑性狀態(tài)，這樣，表面層因奧氏轉(zhuǎn)變體積變小收縮，受到內(nèi)層制約，產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料破斷強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生裂紋。因此，可采用預(yù)熱（500~700℃)或在低溫段控制升溫速度不大于80℃/h,800℃后再提高升溫速度等方法。
③. 控制淬火油冷卻時(shí)的工件出油溫度。
這類材料因合金元素高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度又低，如果淬火冷卻時(shí)間長，會(huì)增加淬火應(yīng)力而產(chǎn)生淬火裂紋，特別是截面較大的零件，有時(shí)心部原始組織的缺陷比表面嚴(yán)重，加大了淬火產(chǎn)生裂紋的可能性?？蛇m當(dāng)減緩工件的冷卻速度。如控制工件出油時(shí)的表面溫度，一般控制在馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度以下150~200℃,或表面溫度不高于50~80℃.對(duì)于大型工件，心部溫度較高，熱量還會(huì)向表面?zhèn)鬟f，可采用油－空氣－油－空氣交替冷卻的方式，以減緩淬火應(yīng)力。
在高碳馬氏體鋼油淬火冷卻時(shí)，還應(yīng)注意的一個(gè)問題是適當(dāng)控制油的攪動(dòng)速度。在保證油溫不大于80℃和不發(fā)生火災(zāi)的條件下，不必盲目追求和加大油的冷卻效果，試驗(yàn)研究表明機(jī)械油在特別劇烈攪動(dòng)時(shí)的淬火冷卻能力會(huì)接近水的淬火冷卻能力，這對(duì)馬氏體不銹鋼來說是很危險(xiǎn)的。這種情況也是有過教訓(xùn)的。
④. 淬火后及時(shí)回火
馬氏體不銹鋼在淬火冷卻結(jié)束后，心部還會(huì)繼續(xù)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，不斷增加淬火應(yīng)力，工件在放置過程中，淬火應(yīng)力也會(huì)改變其分布方式，形成新的應(yīng)力集中點(diǎn)，這都可能使淬火工件在放置過程中發(fā)生開裂，所以，這類鋼淬火后應(yīng)及時(shí)回火。工件冷卻到室溫或用手可長期觸及的溫度時(shí)即可回火。淬火后最多不要超過8小時(shí)應(yīng)進(jìn)行回火，尤其在北方冬季更應(yīng)注意這一問題。曾經(jīng)發(fā)生過這類事故，在對(duì)一批馬氏體不銹鋼泵軸淬火后，因設(shè)備不足，未能及時(shí)回火，又恰逢冬天，氣溫較低，淬火后放置15小時(shí),結(jié)果這批軸全部開裂報(bào)廢。
