马氏体时效钢的热处理工艺及应用.pdf

： ：舍：／；＼：舍：舍：全： ： 一综述～ 马氏体时效钢的热处理工艺及应用 李成魁。 ，殷俊林 ，严彪 卫 (1．同济大学材料科学与工程学院，上海 200092；2．上海市金属功能材料开发应用重点实验室，上海 200092) 摘要：马氏体时效钢是一种超高强度钢，是通过时效过程中从过饱和固溶体(马氏体)中析出Co、Mo、Ti 等合金元素的碳化物实现强韧化。马氏体时效钢在具有高强度的同时还具有良好的塑性、断裂韧 度、焊接性、冷热加工性和耐应力腐蚀性能。马氏体时效钢的热处理工艺比较简单，主要为退火、时 效及形变热处理。马氏体时效钢已在航空航天、海洋工程、原子能工业及结构件、工模具等领域得 到了广泛应用。 关键词：马氏体时效钢；热处理；力学性能 中图分类号：TG142．24 文献标识码：A 文章编号：1008-1690(2010)05-0015—005 Heat Treatment Process and Applications of Maraging Steels LI Cheng—kui ．YIN Jun—lin 一．YAN Biao ’ (1．School of Materials Science and Engineering，Ton~i University，Shanghai 200092； 2．Shanghai Key Lab．of D&A for Metal—Functional Materials，Shanghai 200092) Abstract：The maraging steel is an ultrahigh—strength steel and strengthened and toughened through precipitating carbides of cobalt，molybdenum，titanium and other alloying elements from the supersaturated solid solution(mar— tensite)during the aging．The maraging steel has not only high strength but also such good properties as plasticity， fracture toughness，weldability，cold or hot workability and stress-corrosion resistance．The heat treatment proces- ses for maraging steel are principally simple and easy annealing，aging and thermo—mechanical treatment．The ma— raging steels have been extensively applied to such fields as aeronautical&astronautical industries．marine engi- neering，atomic energy industry，structural part manufacture，tool or ide trade and SO on． Key words：maraging steel；heat treatment；mechanical property 马氏体时效钢是国际镍公司(INCO)于上世纪 60年代初研制成功的，它是以超低碳铁镍马氏体 为基体、利用合金元素产生时效强化的一种超高 强度钢…。马氏体时效钢是通过回火或时效过程 收稿日期：2009-11-11 作者简介：李成魁(1983一)男，辽宁大连人，硕士研究生。联系电话：13585626867，E-mail：lichkl510@163．con 基金项目：上海市科研计划资助项目(08DZ2201300) 套 客 盒 盒 套客 客套客盒盒盒盒盒盒盒盒盎 客 盍盎客盒 套盒盒 盒 客 盒盎盎盒 客 7 粉末冶金钢的优势 巾刀片使用$290钢后，寿命达到4 000万次，而原 由于粉末冶金钢的耐磨性、韧性和抗压强度明 先使用普通钢只达到1 000多万次。预计在不久的 显优于同类普通钢，而热处理尺寸变形远小于同类 将来，粉末钢将至少取代40％以上的普通冷作工模 普通钢，因此在实际应用中获得了极佳的效果，很快 具钢，对国内的工具制造业将产生较大冲击，因此我 被用户所接受，用量呈快速增长的趋势。在国内，粉 国必须重视粉末冶金钢技术的开发和应用，以确保 末钢在冲头、落料和刀具方面的应用极为成功，很多 国内制造业的稳步发展。 用户已用粉末钢取代普通的冷作工具钢，尽管钢的 价格远高于普通钢，但由于工具寿命高，生产成本反 参考文献 而有所下降。实际应用的例子如卷烟包装刀具，目 [1]GB／T 1299—2000合金工具钢[s]．北京：中国标准出版社， 前多采用K390、$290、$390和$790之类的钢；卫生 2000． 《热处理》 201 0年第25卷第5期 ·15· 中从过饱和固溶体(马氏体)中析出Co、Mo、Ti等合 金元素的碳化物作为第二相来实现强韧化。几种典 型的18Ni马氏体时效钢的化学成分列于表1。 表1 几种典型的18Ni马氏体时效钢的化学成分 (质量分数，％) Table 1 Chemical composition of typical 1 8Ni type of maraging steels( ％) 马氏体时效钢具有强度高、韧性好、热处理工艺 简单、焊接性能好及冷热加工性能良好等特点，尤其 是具有超高强度的同时仍具有良好的塑性和优异的 断裂韧度，因而可以取代传统的高强度钢被广泛应 用于工业、军事等各种领域 J。 进入上世纪80年代以来，无钴马氏体时效钢的 研发大大降低了马氏体时效钢的成本，同时，其性能 也有了进一步的提高。 1 马氏体时效钢的特点 1．1 强度高、韧性好 马氏体时效钢是强度最高的钢种。其强度虽 高，但比同强度级的其他超高强度钢的韧性都高， 是现有材料中强韧性最高的钢种。 马氏体时效钢的抗拉强度远远高于一般传统钢 种，其抗拉强度达l 000～2 500 MPa，并随加工参 数的变化而有所不同。这些钢的断裂韧度很高，达 90～200 MPa· m。 马氏体时效钢的疲劳性能极好，其疲劳强度值 可与其他高强度钢的相媲美。通过喷丸韧化处理和 渗氮处理，还可进一步提高马氏体时效钢的疲劳强 度。表2列出了标准18Ni马氏体时效钢的典型力 学性能。 1．2热处理工艺简单 通常，马氏体时效钢的热处理是820℃固溶退 火，保温时间按其截面尺寸每25 mm保温l h计算。 退火处理后的冷却速度对于钢的显微组织和性能几 乎没有影响。但是在时效处理之前，马氏体时效钢 必须冷却到室温。通常在480℃经3—6 h时效处 理。 1．3焊接性能好 优良的焊接性能是马氏体时效钢的重要优点之 一，惰性气体保护焊是最常用的焊接方法。马氏体 时效钢的焊接性能与以往的超高强度马氏体钢不 同，无需预热和后热，也不会产生焊接裂纹。不仅具 有好的焊接性能，由于热影响区的硬化效应也小，焊 后的时效温度低，制品的尺寸变化小，因此是很好用 的材料。马氏体时效钢，由于含有易与氧、氮结合的 Ti、Al元素，焊接时应采用这些元素的烧损量尽可能 小的焊接方法，例如TIG法、MIG法、电子束焊接法 以及在惰性气体保护粘合液的激光焊接。 表2 18Ni马氏体时效钢的典型力学性能 Table 2 Mechanical properties of 1 8Ni maraging steels 注：A为固溶处理；B为固溶处理+冷变形+482℃时效3 h；C为固溶处理+482℃时效3 h 1．4良好的冷热加工性能 的热加工负载和较高的加工温度，但不宜在l 260 热加工较容易，加工性与SU304钢锭大体相同。 qC以上的温度加工。Ti和Mo含量较高的钢种，在 对于马氏体时效钢可以采取最常用的热加工技术， 加工时容易形成这些合金元素的显微偏析，只有通 如锻造、轧制等。含钛量较高的钢种，需要采取较高 过调整钢锭的尺寸和热加工制度，才能避免这种显 ·16· 《热处理》 2010年第25卷第5期 微偏析。 冷加工性能非常好，拉拔，冷轧，弯曲，深冲加工 都非常容易进行。加工过程中无需软化退火即可进 行90％以上的加工。其加工硬化指数为0．02～ 0．03，与普通钢相比降低了一个数量级。随着冷加 工率的增加，强度提高，但断后伸长率及韧性仅稍有 降低。因此，冷加工是一种有效的强化手段。冷变 形后直接时效，强度明显提高，而韧性下降不多。任 何传统的加工工艺都可以用于固溶退火状态的这类 钢的冷加工。这类钢具有很低的加工硬化速率，可 以承受很大的压缩量，其硬度仅稍有提高。 2马氏体时效钢的热处理工艺 2．1 固溶处理 马氏体时效钢的主要成分为Fe和Ni。从Fe．Ni 相图可知，18％Ni．Fe合金必须加热到620 oC以上才 能完全转变成奥氏体组织。因为马氏体时效钢还含 有其他合金元素，所以为了保证使它完全转变成为 奥氏体组织，最低也要加热到730 以上 。实际 上18Ni马氏体时效钢的退火温度还远远超过这个 温度，通常是在810℃进行退火以溶解沉淀物和消 除热加工、冷加工和焊接等工序造成的残余内应 力 。 最近有文献报道，18Ni马氏体时效钢采用两次 退火能显著改善钢的强度和韧性 J。至于两次退火 改善钢的强度和韧性的机制，现在还不是十分清楚。 但是很明显，第一次在比较高的温度退火，是为了保 证钢的完全再结晶；而钢在较低温度或者是一次退 火则不太可能完成这一过程。 对于马氏体时效钢，在时效硬化之前应该进行高 温扩散退火。因为这类钢以及其他高合金材料铸态 化学成分的不均匀性是很严重的，而在以后的时效硬 化也会表现出不均匀性。通常温度的退火处理是不 能消除这类钢化学成分的不均匀性的，因为在这样的 温度下原子的扩散速度太低，必须在很高的温度保 温。常用的热处理工艺是1 148～1“204℃保温4 h。 以Cast 17Ni马氏体时效钢为例，为了在钢中得到较 细的晶粒度，在时效之前的热处理制度是982 ×4 h+593 oC×1 h十815℃×1 h(表3) ～“ 表3 两次退火对马氏体时效钢力学性能的影响 Table 3 Effect of double annealing on mechanical properties of maraging steels 注：退火后于482 oC X 3 h时效 2．2时效处理 2．2．1 时效硬化的温度和时间 在18Ni马氏体时效钢的时效处理的研究中，时 效温度从低于388℃直到722℃，时间长达1 000 h。 在工业生产中常用的时效制度是482 oC×3 h，这种 工艺是经济的，同时又能得到强度和韧性的理想配 A[12] 口 O 2．2．2时效反应过程 当马氏体时效钢加热到低于向奥氏体转变的温 度的某个中间温度时，将显著提高它们的强度。例 如屈服强度只有680 MPa的18Ni马氏体时效钢，经 482 ×3 h时效处理之后，其屈服强度可达l 700 MPa，时效的作用是巨大的。 这类钢的时效硬化反应也是很迅速的。例如， 19Ni-7Co．4．9Mo．0．4Ti钢在退火状态下硬度为28 HRC，但是在482℃保温3 rain，硬度就提高许多，达 到43 HRC。若保温3 h或更长，则可达52 HRC¨1 。 快速时效反应就是使那些稳定的元素在热处理 《热处理》 2010年第25卷第5期 ·17· 时参与时效过程。18Ni马氏体时效钢的时效温度 范围为416～527℃l14]。低于这个温度时效反应很 慢，除非保温时间很长。温度太高，则会很快破坏时 效过程，得不到力学性能的良好配合。 总体来看，如果化学成分控制不是十分理想，则 改变热处理制度仍可取得某些补偿，以达到要求的 力学性能。 2．2．3时效析出相 曾有人致力于研究马氏体时效钢的强化机制。 在某个恒定温度下保温，力学性能随保温时间而变 化的事实早已被认可，但是最初用x一光合电子衍射 去辨别沉淀相及其强化机制的研究，都没有获得成 功。当时只认为在时效过程中会出现有序化反应。 另一方面是萃取复制膜，从18Ni马氏体时效钢 的萃取复制膜的电子显微镜照片上可以看到许多很 小的分散的微粒 。这些微粒即时效过程的产物 的电子衍射图样是相当于Ni3Mo的。电子微区分析 表明有Mo、Ni、Fe、Ti、Co等元素存在。综合这些结 果，并考虑到试验方法和测试技术的准确性，这些沉 淀微粒应该是(Ni、Fe、Co) Mo以及含n的沉淀物 Ti(C、N)。 2．3形变热处理 马氏体时效钢的性能可通过马氏体形变和奥氏 体形变或两者结合而得到提高，这些处理对超硬钢 一步奥氏体形变处理使奥氏体晶粒尺寸减小到10 m以下，得到具有一定延性和3 500 MPa以上的高 强度 。从表4可以看出，HI8K9M5T钢在经过 冷变形后硬度显著提高。 当温度下降通过脆性区时，大的热加工量有助 于在再结晶奥氏体晶粒内使Ti(C、N)弥散。例如， 9Ni一12Cr．0．9Ti．2Cu+Nb和Be在850～650℃之间 进行奥氏体形变(80％)热处理，能细化相变马氏体 晶块的宽度(从20 m到2 Ixm)和晶块内板条的宽 度(从0．6 Ixm到0．4 m)。这种处理使强度增加 270 MPa并得到高的韧性。 在固溶和马氏体时效处理之间的马氏体形变处 理时，由于产生更多的位错，通常可使强度提高200 MPa_l 。固溶处理前的马氏体形变能细化奥氏体 晶粒，使强度有更大的提高。表5为热处理工艺对 H18K8M3T钢各向异性的影响。日本的500Alloy已 采用马氏体形变(88％冷加工)使强度提高到 3 860 MPa。前苏联的X11H10M2T钢经马氏体形变 处理(60％～80％)以提高0．002％弹性极限，供做 弹簧使用。 采用未再结晶固溶处理可以提高马氏体时效钢 的强度、韧性和抗氢脆性 。 。用马氏体相变代替 奥氏体形变处理，只要避免再结晶就能作为在奥氏 体晶粒内产生缺陷和促进析出的方法。冷却后形成 种特别适用。例如，通过奥氏体形变处理，加速冷却 的马氏体是比原马氏体更无序的短(10 m)块。通 到金属间化合物相变温度以下以避免其析出，再进 过这样的处理，强度可提高200～300 MPa。 表4 H18K9M5T钢不同热处理状态下的力学性能 Table 4 Mechanical properties of H1 8K9M5T steel under different heat treatment conditions 表5热处理工艺对H18KSM3T钢各向异性的影响 Table 5 Heat treatment processes and resulting mechanical properties in different directions for H1 8K8M3T stee 3马氏体时效钢的应用 因为马氏体时效钢的加工性，无论是热加工还 是冷加工都比较好，铸件、锻件、厚板、薄板、线材、棒 材等或形状复杂的零件，均可正常生产出合格的零 ·18· 《热处理》 2010年第25卷第5期 件，因此，应用范围较广，从航空航天、海洋开发、原 子能工业，到一般产业用结构件和工模具、弹簧等功 能件。 马氏体时效钢最适宜于制作诸如打印机活动字 锤之类承受冲击和疲劳的零部件，以及要求超高强 度和在高温下尺寸稳定性好的离合器部件等。马氏 体时效钢在以下两个主要领域中获得了广泛应用： (1)飞机和宇航工程中要求具有优异的力学性能和 焊接性能的零部件。(2)工具制造业，要求具有优 良的硬度、韧性和可加工性，并且能在充分时效硬化 时不产生变形的零部件。 马氏体时效钢可以取代某些传统的高强度钢， 广泛用于其他领域，包括火箭壳体、飞机锻件、大炮 的复进簧、贝莱维尔式盘形弹簧、轴承、传动轴、联轴 节、液压软管、螺栓、冲压工具以及模具等。 具体用途如火箭、导弹的高压壳体，直升机起落 架，铀浓缩用离心机的旋转简体，石油化工用压力容 器，动力传动用的轴，高强度螺钉，拉拔杆，铝铸件用 模具，无级变速器用的钢架多臂带，发动机泵用阀门 弹簧、板簧等。 尽管马氏体时效钢按每kg计算价格要比普通 钢昂贵，但是采用马氏体时效钢制成的零部件，却由 于强度／质量比值高而降低了成本，并且加工费用明 显低廉。 4 结束语 为了使马氏体时效钢得到广泛的应用，特别是 在冷变形量很大的旋压薄壁零件的生产、应用中，应 深入研究其固溶、时效工艺及强化机制；进行马氏体 时效钢循环相变工艺及影响因素的研究；探索进一 步提高其强韧性的途径，开发出性能更好的新型马 氏体时效钢。 [2] [3] [4] 参考文献 Decker R F．Eash J T，Goldman A J．1 8 Nickel maraging steels [J]．Trans．ASM，1962，55(1)：58-76． Floreen S，Bayer A M．Development and commercialization of eo— bait—free ageing steels[C]／／Aging Steels Recent Developments and Applications，West Virginia Huntington，1988：55—72． Decker，R F．Maraging steel the first 30 years[C]／／Maraging steel recent developments and applications，West Virginia Hun- tington，1988，1-38． Tharian K T，Sivakumar D，Ganesan R，et a1．Development of new nickel，colbah free maraging steel[J]．Mater Sci Tech．， 1997，7(12)：1082—1088． [5]何毅，苏国跃，曲文生，等．超纯净18Ni马氏体时效钢的晶 粒尺寸及其对拉伸性能的影响[J]．金属学报，2002，38(1)： 53—57． [6]何毅，杨柯，孔亚凡．超高强度18Ni无钻马氏体时效钢的力 学性能[J]．金属学报，2002，38(3)：278—282． [7]朱景川，来忠红，尹钟大，等．18Ni马氏体时效钢铸件组织和 力学性能[J]．物理测试，2001，3：6—8． [8]闰春波，周维龙．18Ni(2450MPa级)马氏体时效钢细化晶粒 工艺[J]．大型锻铸件，2004，2：l一7． [9]Li Xiaodong，Yin Zhongda．Reverted austenite during aging in 18Ni(350)maraging steel[J]．Material Letters，1995，24(6)： 239—242． 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