20Cr13馬氏體不銹鋼表面粗糙分析及改進(jìn)

黨 杰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科研處，陜西 西安 710089)

馬氏體不銹鋼是一種在室溫下保持馬氏體顯微組織的一種含鉻不銹鋼，通常鉻含量在12%以上，碳含量為0.1%～0.4%，該鋼種在大氣、海水、稀硝酸及濃度不高的有機(jī)酸介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能[1-2]。馬氏體不銹鋼與傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼相比，具有更高的強(qiáng)度和高溫抗氧化性，并可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，現(xiàn)如今Cr13型不銹鋼是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的馬氏體不銹鋼，可根據(jù)碳含量的不同可分為10Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr13等[3]。其中，由于20Cr13不銹鋼淬火狀態(tài)下硬度高，耐蝕性良好，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣泛，不僅用于餐具中的刀叉及專于外科手術(shù)刀具，另外也制造承受高應(yīng)力的零件，如汽輪機(jī)葉片、熱油泵、軸與軸套、葉輪、閥片、紡織機(jī)械配件等[4-5]。

在使用20Cr13不銹鋼制造餐具刀叉過程中出現(xiàn)了粗糙表面，與光滑表面相比，由于粗糙表面容易吸附腐蝕介質(zhì)，會導(dǎo)致產(chǎn)品表面易于發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這不僅影響了產(chǎn)品表面質(zhì)量，而且降低了產(chǎn)品的耐腐蝕性能。本文針對在使用20Cr13不銹鋼過程中出現(xiàn)的表面粗糙缺陷進(jìn)行分析討論，從而查找出缺陷產(chǎn)生的原因，并以此給出改進(jìn)措施。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為某鋼廠生產(chǎn)20Cr13不銹鋼實(shí)驗(yàn)鋼卷，其生產(chǎn)工藝為：鐵水→脫磷轉(zhuǎn)爐→氬氧精煉爐→鋼包精煉爐→板坯連鑄與電磁攪拌→步進(jìn)式連續(xù)加熱→熱軋→水冷→卷取→罩式N2保護(hù)退火→黑卷。針對該廠某批次20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷拋丸打磨后沖壓制備成餐具刀叉，觀察到?jīng)_壓板及產(chǎn)品出現(xiàn)表面粗糙等缺陷，如圖1所示。從圖1可以看到，缺陷主要表現(xiàn)為在宏觀下有肉眼就可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品上下兩個表面存在大量的凹坑，且分布均勻，產(chǎn)品表面缺乏光澤，用手觸摸產(chǎn)品表面時有明顯的粗糙感；但是在另一批次生產(chǎn)的20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷在制備餐具刀叉時未發(fā)現(xiàn)此類表面粗糙的缺陷。

圖1 20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷拋丸打磨后的表面

為了探究20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷出現(xiàn)表面粗糙缺陷的原因，采用線切割方法對有表面粗糙缺陷和無此類缺陷出現(xiàn)的兩個批次的3.5 mm實(shí)驗(yàn)鋼卷進(jìn)行取樣，截取試樣尺寸規(guī)格為20 mm×20 mm，并依次編號為1#試樣和2#試樣，共截取兩組試樣。首先，對第一組的1#試樣和2#試樣進(jìn)行拋丸打磨處理，采用粗糙度輪廓儀進(jìn)行試樣表面粗糙度的測量；然后，對第一組的1#試樣和2#試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，分析兩者之間的元素含量差異；最后，對第二組的1#試樣和2#試樣進(jìn)行清洗去除油污和灰塵，試樣沿軋制方向鑲嵌縱截面，依次研磨后拋光，利用光學(xué)顯微鏡對1#試樣和2#試樣剖面氧化皮厚度進(jìn)行測量。最終通過對不同生產(chǎn)工藝參數(shù)條件下20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷的試樣進(jìn)行化學(xué)成分、表面粗糙度、氧化皮厚度的對比，分析不同生產(chǎn)工藝參數(shù)下20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷的表面粗糙度的變化規(guī)律，分析表面粗糙缺陷產(chǎn)生的原因，依據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)20Cr13不銹鋼熱軋生產(chǎn)工藝，從而提高20Cr13不銹鋼餐具刀叉的表觀質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度分析

表1為第一組1#試樣和2#試樣表面粗糙度的測量結(jié)果，在表2中分別列出了輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz和輪廓的最大峰值Rp。通過對1#試樣和2#試樣粗糙度進(jìn)行對比，如圖2所示，從圖2中可以看到，與1#試樣粗糙度相比，2#試樣的粗糙度明顯偏高，這與最終制品所表現(xiàn)的結(jié)果相符合。

表1 20Cr13鋼卷表面拋丸打磨后的粗糙度 μm

圖2 20Cr13鋼卷拋丸打磨后的粗糙度

2.2 化學(xué)成分分析

表2為20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷的1#試樣和2#試樣的化學(xué)成分，對比1#試樣和2#試樣的各元素含量，比較結(jié)果見圖3。從圖3中比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1#試樣和2#試樣的C和Mn元素含量相近，而2#試樣的Si和Cr含量明顯地高于1#試樣。根據(jù)已有研究可知[6-8]，當(dāng)不銹鋼中的Si和Cr等元素偏高時，導(dǎo)致氧化皮中FeCr2O4的尖晶石復(fù)合氧化物和鐵橄欖石Fe2SiO4等產(chǎn)物含量有所增多，此類型氧化產(chǎn)物與基體結(jié)合較為緊密且犬牙交錯，并在基體上形成釘扎現(xiàn)象。因此，隨著Si和Cr等元素含量的增加，對2#試樣拋丸打磨拋光后，出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)鋼卷表面粗糙度增大的現(xiàn)象。

表2 不同批次20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷的化學(xué)組成 %

圖3 不同批次20Cr13實(shí)驗(yàn)鋼卷化學(xué)成分的差異

2.3 爐內(nèi)殘氧量及氧化皮厚度測量

對比1#試樣與2#試樣所在20Cr13實(shí)驗(yàn)板坯加熱時的爐內(nèi)氣氛含量，在生產(chǎn)過程中兩者的爐內(nèi)氣氛殘氧控制有所不同，比較結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看到，1#試樣的鋼坯在加熱時，爐內(nèi)氣氛中的殘氧量按照1.5%～2.5%控制；而2#試樣鋼坯在加熱時，爐內(nèi)氣氛中的殘氧量控制在2.5%～4.0%，此時爐內(nèi)氧含量偏大，會導(dǎo)致20Cr13實(shí)驗(yàn)板坯在加熱過程中被過度氧化，導(dǎo)致表面大量氧化皮的產(chǎn)生。

圖4 不同批次20Cr13鋼卷的爐溫殘氧量對比

對第二組的1#試樣和2#試樣進(jìn)行金相試樣制備后，利用光學(xué)顯微鏡對試樣氧化皮形貌及厚度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為在1#試樣的氧化皮形貌，圖5(b)為在2#試樣的氧化皮形貌。

圖5 20Cr13試樣鋼卷氧化鐵皮截面形貌(×200)

從圖5(a)中可以看到，1#試樣表面大部分的氧化皮厚度較均勻，氧化皮厚度大致為30～40 μm；而圖5(b)中的2#試樣表面氧化鐵皮存在增厚現(xiàn)象，氧化鐵皮厚度大致為50～60 μm，且發(fā)現(xiàn)部分氧化鐵皮分布不均勻且存在嵌入20Cr13基體中，這正好與上述化學(xué)成分分析結(jié)果相吻合，由于所生成的FeCr2O4和Fe2SiO4等氧化產(chǎn)物在基體中釘扎結(jié)果。因此會導(dǎo)致用戶在打磨拋光20Cr13餐具刀叉時存在打磨拋光性能差，容易出現(xiàn)材料表面粗糙，同時還容易造成鋼卷在軋制過程的氧化皮的壓入，進(jìn)而會在材料產(chǎn)生麻點(diǎn)等缺陷。

3 工藝改進(jìn)及控制

綜上所述，通過分析明確了20Cr13不銹鋼出現(xiàn)表面粗糙缺陷的原因：一是冶煉過程中化學(xué)成分控制不當(dāng)，Si和Cr等元素含量偏高，使得鋼卷氧化皮中的FeCr2O4尖晶石復(fù)合氧化物和鐵橄欖石Fe2SiO4等氧化產(chǎn)物增多，造成氧化皮在基體表面的釘扎；二是由于加熱爐內(nèi)殘氧量偏高，導(dǎo)致氧化皮過厚、不均勻等原因造成的。

為了有效降低20Cr13不銹鋼拋丸打磨后的表面粗糙程度，可依據(jù)上述分析結(jié)果可對現(xiàn)場工藝進(jìn)行改進(jìn)，可采取具體控制措施有：一是從提高抗氧化性角度出發(fā)，在20Cr13不銹鋼冶煉過程采取有效措施對Si和Cr等元素含量進(jìn)行有效控制，使得Si元素含量控制在0.40%～0.45%，以及Cr元素含量控制在13.20%～13.35%；二是考慮20Cr13不銹鋼抗氧化性差的特點(diǎn)，加熱爐內(nèi)氣氛盡量采用低氧化性氣氛，可將加熱爐內(nèi)的殘氧量控制在2.5%以下。采取上述工藝改進(jìn)后，對使用改進(jìn)后20Cr13不銹鋼鋼卷的終端用戶進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，使用廠家對工藝改進(jìn)后鋼卷的拋丸打磨性能給予了肯定，氧化皮過厚的現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，表面凹坑缺陷基本消除，有效地提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié) 論

(1)20Cr13不銹鋼鋼卷經(jīng)拋丸及打磨處理后，在沖壓加工餐具刀叉時會出現(xiàn)拋不光的現(xiàn)象，餐具刀叉表面會出現(xiàn)密集的凹坑，嚴(yán)重時會有表面麻點(diǎn)缺陷發(fā)生。

(2)當(dāng)20Cr13不銹鋼鋼卷中Si和Cr含量偏高時，易生成FeCr2O4尖晶石復(fù)合氧化物和鐵橄欖石Fe2SiO4等氧化產(chǎn)物，會加劇鋼卷表面氧化皮去除難度，促進(jìn)鋼卷表面粗糙缺陷的發(fā)生。為了減少這些難去除氧化物的產(chǎn)生，鋼卷中Si元素含量應(yīng)控制在0.40%～0.45%，Cr元素含量應(yīng)控制在13.20%～13.35%，可有效地避免鋼卷表面粗糙缺陷的發(fā)生。

(3)對20Cr13不銹鋼加熱時，加熱爐內(nèi)殘氧量對表面氧化皮厚度和不均勻性有顯著的影響，當(dāng)爐內(nèi)殘氧量控制在2.5%～4.0%，鋼卷表面氧化皮厚度可達(dá)到50～60 μm，若降低殘氧量至1.5%～2.5%，氧化皮厚度減少至30～40 μm，可以有效避免鋼卷表面粗糙等缺陷的發(fā)生。