马氏体时效不锈钢的发展现状与方向

《马氏体时效不锈钢的发展现状与方向》由会员分享，可在线阅读，更多相关《马氏体时效不锈钢的发展现状与方向（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、马氏体时效不锈钢的发展现状与方向摘要：奥氏体不锈钢因具有非常优越的不锈性、耐蚀性、高温性、低温性、无磁性以及良好 的工艺性而获得广泛的应用，但主要缺点是强度偏低，耐应力腐蚀性能较差，因而发展高强 高韧、综合性能良好的高强不锈钢，一直是不锈钢研究的重点之一。本文叙述了马氏体时效 不锈钢的发展现状及其发展方向。关键字：马氏体时效处理不锈钢合金化马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加的高强度不 锈钢，自20世纪60年代后期以来马氏体时效不锈钢成为超高强度不锈钢发展的一个新的领 域，并且得到了迅速的发展，它以高强度和良好的综合性能迅速成为航空、航天、先进机械 制造、核能等高科

2、技领域关键设备的承力耐蚀（或高温）部件的首选材料I】。其优良的性能 主要得益于低碳马氏体相变和时效硬化两种强化效应叠加a。其生产广泛采用了精料、超洁 净度、超细组织以及超均匀化等工艺技术。近3O年来，马氏体时效不锈钢的开发和研究取 得了很大的进步。1马氏体时效不锈钢的成分1961年美国Carpenter Technology Co.研制了第一个含钻的Pyroment X-12马氏体时 效不锈钢，以后又先后开发了不含钻的Custom 450、Custom 455及X-15、X-23。此时期美 国一些公司先后开发了 AM363、Almar326、In736、PH13-8Mo、UnimarCR 等。

3、德国于 1967、 1971年先后研制成功了 Ul-trofort 401-403等钢种同。我国在上世纪70年代也曾开展了 一些马氏体时效不锈钢的研究工作。例如，研制了 00Cr13Ni8Mo2NbTi7。至20世纪末， 我国已有10多个马氏体时效不锈钢获得广泛应用。2马氏体时效不锈钢的合金化马氏体时效不锈钢的合金化元素主要有三类，一类是与抗腐蚀性能有关的元素，如Cr； 一类是形成沉淀硬化相的强化元素，如Mo、Cu、Ti等；一类是平衡组织以保证钢中不出现 或控制5 -铁素体元素，如Ni、Mn、Co等。2.1合金元素的作用铬是不锈钢的主要合金元素，对耐蚀性起着决定作用。其耐蚀性按照n/8规律作跃

4、进 式的突变，随着Cr含量的增加，不锈钢在氧化性介质中耐腐蚀能力相应增加。Cr能有效地 提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性8】。当Cr与Mo配合使用时，抗点蚀效果更好。 Cr是强铁素体形成元素和缩小奥氏体区元素，对于马氏体时效不锈钢来说，Cr含量一般在 10.5 %18%之间。如果Cr含量过高，则固溶处理后将得不到全马氏体组织（含有部分铁 素体组织），而铁素体的存在则会影响钢的热塑性，降低钢的强度并恶化钢的横向韧性和钢 的耐蚀性。另一方面，Cr是降低Ms点元素，因此，Cr含量一般控制在10.5%-12.5%。同样，镍也是马氏体时效不锈钢中不可缺少的元素。镍是奥氏体相形成元素，扩大奥氏 体

5、稳定区，随钢中镍含量的提高，奥 氏体相区向高Cr方向移动，即钢中的Cr可以提高而 不至于形成单一的铁素体组织。为保证在8151100C之间的奥氏体结构在冷却到室温后完 全转变为马氏体结构，在马氏体时效不锈钢中镍含量应在4%-20%，但镍同样会降低Ms 点，并且比Cr的作用还要强烈。如镍含量过多，Ms点降低，冷却时会导致残余奥氏体的形 成，从而得不到全马氏体组织，使时效后的强度降低。因此，马氏体时效不锈钢中的镍含量 一般控制在5.6 %-10%，最高达12%。在马氏体时效钢中，钻虽固溶于基体中但并不形成金属间化合物，而与钼产生协作效 应（synergistic effect）。其作用在于减少钼在

6、马氏体中的固溶度，从而促进含钼金属间化 合物（如Ni3Mo、Fe2Mo）的析出；另外，钻可以抑制马氏体中位错亚结构的回复，为随后的析 出相形成提供出更多的形核位置，因而使析出相粒子更为细小而又分布均匀，减少析出相 粒子间距9。在马氏体时效不锈钢中对强度、韧性和耐蚀性都有利的合金元素是钼。时效初期析出的 富钼析出物，在强化的同时保持钢的韧性中起着重要作用。马氏体时效钢中合金元素Mo的 存在，也可以阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，从而避免了沿晶断裂、提高了断裂韧性。在 某些还原性介质中，钼能促进Cr的钝化作用。故钼能提高铬镍不锈钢在硫酸、盐酸、磷酸 及有机酸中的耐蚀性，并有效地抑制氯离子的点腐蚀倾向

7、，提高钢的抗晶间腐蚀能力。但过 量添加钼同过量添加镍一样，也会生成残留奥氏体。在马氏体时效不锈钢中钼含量应控制在 5%以下。含Cu马氏体时效钢，如174PH和C455均存在明显的过时效现象，这是由时效析 出的Cu、Ni、Ti颗粒的粗化所导致的。而本研究的含Mo马氏体时效不锈钢具有显著的抑制 过时效能力，Mo在其中起了主要作用。已有相关文献报道，含Mo的9Ni 一 12 Cr 一 2Cu马 氏体不锈钢在475C时效5min后，首先析出富Cu相，表现为硬度迅速增加，该富Cu相成 为后续富Ni相的析出形核点，2h后的Cu富集相和Ni富集相分离，由于Mo在富Ni沉淀区 形核，硬度继续增加，但前4h的时

8、效硬化主要取决于富Ni相和富Cu相的析出，且对连续 时效硬化行为起到关键作用。Mats Hattestrand等人uu在475C时效100h发现位错和板条 马氏体周围存在二十面体准晶结构的相，由于它富集Mo,因此有效地阻止了长期时效过程 中的长大粗化现象，使得材料表现为长期连续的硬化行为。铝通常是作为脱氧剂加入到钢中，是铁素体形成元素，促进铁素体形成能力约为铬的 2.53倍。铝在马氏体时效不锈钢中的主要作用是时效强化作用。同时，加铝能在钢表面形 成一层致密的氧化膜Al2O3,提高不锈钢抗氧化能力。钛在马氏体时效不锈钢中常常使用。钛在马氏体时效不锈钢中是最有效的强化合金元 素。适量的钛具有显著的

9、时效强化作用。增加钛含量，降低不锈钢一般耐蚀性。在某些介质 中使焊接件出现刀口腐蚀。硅是强烈的强化铁素体元素。硅对提高铁基、镍基耐蚀合金在强氧化介质中的耐蚀性有 明显作用12。在高温下或在强氧化性介质中（如发烟硝酸），钢中加一定量的硅，可在表面形 成一层富硅的表面层SiO2，从而使钢的抗氧化性或抗腐蚀能力显著提高。加硅对耐硫酸腐蚀 也有一定作用。加硅还可以抑制不锈钢在氯离子介质中的点腐蚀倾向。但当含硅量高达4% 时，钢的脆性显著升高，而使工业使用发生困难。将稀土元素加入不锈钢中，能提高马氏体时效不锈钢的抗腐蚀性13-14。但关于稀土元素 对马氏体时效不锈钢的耐蚀性能的影响，目前研究还较少，需进

10、一步研究。2.2合金元素对马氏体时效不锈钢组织的影响不锈钢中稳定奥氏体元素的作用居于主要方面时，不锈钢的组织就以奥氏体为主，很少 以至没有铁素体；在不锈钢中所含稳定奥氏体元素镍、锰、铜的作用程度还不能使钢的奥氏 体保持至室温时，不稳定的奥氏体在冷却时即发生马氏体转变，钢的组织则为马氏体；如果 形成铁素体元素的作用成为主要方面的话，钢的组织则以铁素体为主，根据镍当量和铬当量 可得出不锈钢组织图。各元素的镍或铬当量为糜:Ni 当量=%Ni+%Co+0.5%Mn+0.3%Cu+25%N+30%C( 1 )Cr 当量=%Cr+2%Si+1.5%Mo+5%V+5.5%A1+1.75%Nb+1.5%Ti+

11、0.75%W( 2 )3马氏体时效不锈钢的组织结构3.1马氏体在正常化学成分和适宜热处理条件下，为了获得良好性能，马氏体时效不锈钢中的基体 应为板条状马氏体。相邻的马氏体板条，基本上位向相同，而且相互之间是小倾角晶界接触； 板条宽度约为0.0252.25p m。晶粒度对板条宽度和分布没有影响，而捆的大小则随着晶 粒度增大有变大倾向。用透射电镜观察，其亚结构主要是由高密度位错所组成，位错密度 为(0.30.9)X1012cm/cm3。马氏体可以变温或等温形成；马氏体是体心立方结构，而且逆 转变为奥氏体时，有很大的温度滞后，因而在较高温度时可以发生马氏体基体的沉淀；马 氏体的硬度为HRC25左右，

12、具有很好的塑性和韧性。3.2残余奥氏体为了使马氏体时效不钢具有优良的性能，希望钢的基体为马氏体组织，钢中残余奥氏体 尽量少。这就需要严格控制钢的马氏体转变温度Ms和适宜的铬当量和镍当量。对于马氏体 时效不锈钢而言，利用(3)式可计算出马氏体相变温度，精确度可达4 0C，利用Cr、Ni 含量对Ms温度影响来测定Ms温度，其精确度可达20oC。利用式和(2)以及Cr、N i 含量与Ms的关系可计算出不含残余奥氏体和铁素体的马氏体时效不锈钢的化学成分。但 是，就提高马氏体时效不锈钢的韧性而言，有少量残余奥氏体(包括逆转奥氏体)是有益的。Ms(C)=832-29%Cr-39%Ni-5%Co-36%Mo

13、-0%Ti(3)3. 3金属间相马氏体时效不锈钢在马氏体基体上析出细小、弥散的金属间化合物是使这类钢获得高性 能的关键。研究表明，对于含Co、Mo的马氏体时效不锈钢，由于碳含量很低，故碳化物很 少，在马氏体基体上主要有X相，Laves相、Fe2Mo、Ni3Ti等金属间化合物析出。Ni3Mo和N 3Ti均呈细长的棒状，而Fe2M。和NiBe则为球形。 4马氏体时效不锈钢的发展方向降低钢中气体、夹杂物和有害元素含量，改进马氏体时效不锈钢组织结构的均匀性， 提高现有钢种的强、韧性以及耐蚀性。(2) 进一步研究晶粒超细化工艺。通过改善合金化、控制轧制及形变热处理，在析出强 化的同时，充分发挥形变、相变

14、和细晶强化的综合作用，提高钢的综合力学性能。(3) 开发。0231200MPa耐海水腐蚀马氏体时效不锈钢，提高铬、钼等耐腐蚀元素的含 量，进一步改善马氏体时效不锈钢的耐腐蚀性能。(4) 无钻超高强度(。31800MPa)马氏体时效不锈钢的开发及强韧化机理研究。b(5) 进一步研究高度弥散金属间化合物的形貌、组分、结构以及残留奥氏体的数量形貌、 分布状态对马氏体时效不锈钢性能的影响。(6) 稀土元素在马氏体时效不锈钢中作用机理研究。5结束语马氏体时效不锈钢具有比强度大、屈强比高、强韧兼备、弹性性能优异、耐蚀性和热稳 定性好、热处理规范简便、加工成型性及焊接性能优良等优点，具有良好的发展前景。将高

15、 强度马氏体时效不锈钢发展至超高强度(。b31800MPa)，同时具有良好的塑韧性，在航空航 天等领域存在着广泛的应用和需求前景。但从经济角度考虑，由于这类钢均含有较高的钻元 素，因而价格较昂贵。对此，开展无钻超高强度马氏体时效不锈钢的研究以及稀土元素的添 加对马氏体时效不锈钢腐蚀行为的影响研究，开展耐海水腐蚀马氏体时效不锈钢的应用与研 究都有重要的意义。参考文献:I 魏振宇.马氏体时效不锈钢J.新金属材料，1972 (4):22.赵振业，李志，刘天琦，朱杰远.探索新强韧化机制开拓超高强度钢新领域J.中国 工程科学，2003，5 (9):39 - 42. 宋为顺，梁剑雄，赵先存.我国高强度不锈

16、钢的发展现状和展望J.不锈钢，2000， 4(2):1 13.4 姜越，尹钟大，朱景川等.马氏体时效不锈钢的发展状况J .特殊钢，2003，24(3):15 王正樵，吴幼林.M.不锈钢，北京：化学工业出版社，1991. 2686 宋为顺，等.高强度不锈钢的进展和展望J.北京：冶金部钢铁研究总院合金钢部.1992. 2097 陆世英.我国不锈钢研究与应用的回顾和进一步发展的展望J.钢铁研究学报，1996, 8(2)： 64陆世英，张廷凯，杨长强，等.不锈钢.北京：原子能出版社，1995. 199 俞德刚.钢的强韧化理论与设计M .上海：上海交通大学出版社，1990. 19910 Nilsson J 0， Stigenberg A H， Liu Metall Tra