鲁达 Cr13型马氏体不锈钢由于具有一定的耐蚀性及耐热性，应用广泛，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，且过冷奥氏体组织比较稳定，热锻后空冷就能得到马氏体组织。由于12Cr13含有一定量的铁素体，有的文献上把12Cr13称作马氏体-铁素体双相钢。由于30Cr13钢具有较高的含碳量，而Cr元素含量又较高，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；由于Cr13型马氏体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曲线大大向右推移，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：曾经有一批30Cr13活塞杆锻件全部报废，给公司造成了很大的损失，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。为此，本文根据金属学原理，对若干问题进行了分析。
原材料
用于锻造的原材料，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，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，一般都进行车削剥皮，有的则用砂轮修磨。但是钢厂对表面缺陷的清除往往不够彻底，特别是用砂轮修磨的表面，仔细检查仍可发现一些残留的细小裂纹。如：2016年元月份，某公司企业标准代号为KF436.1-1999、规格代号为65×1525的30Cr13氧气压缩机和氮气压缩机用活塞杆，原材料规格为φ120mm×970mm，材料表面有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裂纹，应将裂纹清除干净后再锻。
加热与锻造温度
由于Cr13型马氏体不锈钢Cr含量较高，使Cr13型马氏体不锈钢在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℃时为0.586J/cm·℃/s，而Cr13型马氏体不锈钢则为0.25～0.29J/cm·℃/s。由于Cr13型马氏体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，进入塑性区以后可以加快升温速度。加热时应采用四段或五段加热规范：第一阶段随炉缓慢升温至800～850℃；第二阶段在800～850℃时，视直径大小及装炉量确定保温时间，使坯料整个截面温度均匀，以减小热应力；第三阶段由于高温时Cr13型马氏体不锈钢的导热系数增大，这时可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。
钢中由于Cr元素的大量加入，使Fe-Cr平衡图发生了很大的变化（图1），Cr13马氏体不锈钢出现δ铁素体的温度区域大致在1000～1260℃，温度越高，加热时间越长，δ铁素体的量越多。钢的牌号不同化学成分不同，形成δ铁素体的温度范围也有所不同。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铁素体，因此20Cr13钢的锻造加热温度应不超过1150℃，微过共析成分的30Cr13钢的锻造加热温度控制在1100℃即可。Cr13型马氏体不锈钢中的δ铁素体很多时候是由原材料带来的，原材料在冶炼时由于配料不合理，奥氏体形成元素（如碳元素等）含量偏低，铁素体形成元素（如铬元素、钼元素及钒元素等）含量较高而操作又不规范，造成微区偏析，即形成铁素体元素微区偏聚，从而增加了δ铁素体含量，因此在原材料采购时有必要控制δ铁素体的含量，原材料进厂时应进行δ铁素体含量的检查。
图1 Fe-Cr平衡图（含0.1C%截面）
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，过长的保温时间将使坯料严重过热，δ铁素体的量增加，因此要根据炉膛温度的不均匀性及工作完成情况，从低温区转移至高温区，以避免坯料在高温区加热时间过长而严重过热，产生大量的δ铁素体，工件塑性降低，导致变形困难及热处理后机械性能下降。
由于Cr13型马氏体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，发现缺陷后应立即清除，接近终锻温度时只允许小的变形量。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。
Cr13型马氏体不锈钢的终锻温度取决于冷却时的奥氏体转变温度。在西北工业大学张志文教授主编的《锻造工艺学》中明确指出了亚共析钢的终锻温度应控制在A3线以上15～50℃；对于12Cr13、20Cr13马氏体不锈钢来说，终锻温度不应低于900℃；由于30Cr13马氏体不锈钢含有微过共析成分，如果终锻温度较高，会在晶界上析出二次碳化物而且呈网状分布，这样将会增加后续热处理开裂的风险，所以30Cr13马氏体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，而冲头周围的圆环区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。
锻件的冷却
Cr13型马氏体不锈钢的锻后冷却是热加工工艺中十分重要的工序，13%的Cr加入钢中使C曲线较普通碳钢大大向右推移，见图2。
12Cr13不锈钢的淬透时间为60秒，而40Cr13不锈钢的淬透时间就增加到了300秒。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，可使其心部全部淬透，得到马氏体组织。由连续冷却曲线可知，要获得100%珠光体转变，必须使Cr13型马氏体不锈钢在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，比较小的锻件冷却速度仍然较快，达不到使奥氏体向珠光体转变的目的。如果我们有条件根据奥氏体等温转变曲线，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，可使整个锻件温度均匀，从有关热处理手册中，我们知道30Cr13马氏体不锈钢这一转变持续时间只需要十几分钟就足够了，20Cr13马氏体不锈钢只需要二十几分钟。
图2 C曲线右移
我公司30Cr13活塞杆及20Cr13滑动盘锻件，最初锻后就是放在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点发生马氏体转变，而心部温度仍然较高，仍为奥氏体，由于马氏体的比容较奥氏体的比容大，即在表面发生体积膨胀，此时表面为压应力、心部则为拉应力。随着温度的下降，心部发生马氏体转变，体积膨胀，表面已经是马氏体，限制了心部的膨胀，从而表面出现拉应力，心部则为压应力；锻件锻后出现冷却裂纹正是由于锻件表面出现拉应力，且为切向拉应力，加上锻件变形残余应力，而锻后一般晶粒较为粗大，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，且裂纹延伸方向为最大主应力方向。
因此，我们不难理解为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，有时甚至能够听到开裂的声音。很多时候，锻件开裂是在锻后热处理之后，甚至是在锯切或切削加工时发现的，一些人却想当然地认为开裂是锻后热处理造成的，甚至要求对此类钢锻件进行多次的锻后热处理。
锻件的退火处理
尽管将处于终锻温度的锻件立即放入热石灰中冷却，可以避免冷却裂纹的产生，但是对于一些截面尺寸比较小的锻件而言冷却速度仍然很快。由于Cr13型马氏体不锈钢中Cr元素含量较高，C曲线大大右移，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，比较小的工件就有可能淬透，这时最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，为此必须尽快对锻件进行完全退火处理，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为铁素体晶粒内分布着粒状碳化物或沿晶界上分布着网状碳化物颗粒。12Cr13不锈钢退火后的硬度可降至200HB以下，20Cr13不锈钢退火后硬度可降低至229HB以下，30Cr13不锈钢退火后硬度可降低至235HB以下。如果仅仅是为了消除应力和降低硬度，可采用高温回火的方法，也有人称之为低温退火，就是把锻件加热到680～780℃（通常采用750～780℃），然后出炉空冷，使在空冷过程中生成的马氏体转变为回火索氏体，处理后12Cr13不锈钢的硬度可降低至190～200HB，20Cr13、30Cr13不锈钢的硬度可降低至200～230HB，后者保温时间应长一些。也可以采用前面所述的等温退火的方法，将锻件加热到奥氏体化温度，然后在700℃进行等温处理。
结论
⑴在锻造前，可以采用精加工的方法，把原材料的表面缺陷清除干净，如果在锻造时出现裂纹，立即清理，然后再锻。
⑵12Cr13、20Cr13不锈钢的锻造加热温度以1100～1150℃为宜，过高的加热温度会使δ铁素体增多，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℃为宜。
⑶Cr13马氏体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线裂纹的产生。
⑷12Cr13、20Cr13马氏体不锈钢的终锻温度以900℃为宜，30Cr13马氏体不锈钢的终锻温度以850℃为宜。
⑸Cr13马氏体不锈钢锻后冷却极其重要，应在200℃的热石灰（我们用的是一级金黄色的蛭石粉，使用之前用经过加热的废工件把其中的水分蒸发掉）中进行，锻好一件埋一件，尽可能地降低冷却速度，尽可能保证奥氏体向珠光体组织的转变并及时热处理。
⑹建议最好采用等温处理的方法，即将终锻温度的锻件立即置于700℃的等温热处理炉中进行等温处理。
作者简介
孙景会，技术部部长，工程师，主要从事自由锻及热处理技术工作。
—— 来源：《锻造与冲压》2019年第17期