马氏体时效钢的热处理工艺及应用

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综述~

马氏体时效钢的热处理工艺及应用李成魁。殷俊林,,严摘

彪 卫

(. 1同济大学材料科学与工程学院,上海 2 0 9;. 00 2 2上海市金属功能材料开发应用重点实验室,海 2 0 9 )上 0 0 2

要:马氏体时效钢是一种超高强度钢,通过时效过程中从过饱和固溶体 (氏体 )是马中析出 C、 o T oM、i

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、洋工程、子能工业及结构件、模具等领域得海原工到了广泛应用。

关键词:氏体时效钢;处理;学性能马热力中图分类号:G 4 .4 T 122文献标识码: A文章编号:0 819 ( 0 0 0 -0 5 0 5 10 -6 0 2 1 ) 5 0 1—0

H e tTr a m e tPr c s n p ia inso a a i t es a e t n o e sa d Ap lc to fM r gng S e lL h n—u .YI u— n一.YAN B a IC e gk i N J nl i io’ ( . co l f t i sS i c n n ier g T n nvri, h n hi 002 1 Sh o o e a c n ea dE gnei, o ̄i iesy S a g a 209; Ma r l e n U t

2 S a g a K yL b f& o t—u ci a Maei s h nh i 002 . hn h i e a .o A f Me l nt n l t a,S a g a 209 ) D r aF o rlAb tac Th r gn t e i n u ta i h sr n t se l a te ghe d a d t u h n d t r u h r cp ttn s r t: e ma a i g se l s a lr h g—te g h t e nd sr n t ne n o g e e h o g p e i iai g

cri s f o a, lb e u ta im a dohr l yn lm ns rm tesp ra rt oi sl in( a— abd bl mo d n m, i nu n te l ige

e t f u est ae sl o t eoc t y t ao e o h u d d uo m r t se uigteaig h rgn t l a o o l hg t n t b t l u hgo rp re s lsct, e i )d r g .T emaaigs e h s t n i s egh u as sc odpo et sa at i nt n h n e n y h r o i p i yr c u e tu h e s fa t r o g n s,wed b l y,c l r h two k b lt n te s c ro i n r ssa c l a ii t o d o o r a ii a d sr s - o r so e it n e.Th e tte t n r c s y e h a ra me tp o e - s sf rma a i g se la e p ic p l i l n a y a n ai g,a i g a d t r— c a ia r a me t e r g n te r rn i al smp e a d e s n e ln o y g n n he mo me h n c lte t n .Th e ma—rg n t es h v e n e tnsv l p le o s c e d sa r n ut a a i g se l a e b e x e i ey a p id t u h f l s a e o a i l& a to u i a n sre i c srna tc li du tis. ma i e e i rn ng-

n e i g,ao c e e g n u ty,sr c u a r n f cu e,t o ri e ta e a d S n. e rn t mi n r y i d sr tu t r lpa ma u a t r t o lo d r d n O oKe y wor: r gng se l h a r ame t ds ma a i te; e tte t n;me ha c lp o e y c nia r p r t

马氏体时效钢是国际镍公司 (N O) IC于上世纪6 0年代初研制成功的,是以超低碳铁镍马氏体它收稿日期: 0 9- 1 1 2 0 1 -1

为基体、用合金元素产生时效强化的一种超高利强度钢…。马氏体时效钢是通过回火或时效过程

作者简介:李成魁 (93 )辽宁大连人, 18一男,硕士研究生。联系电话: 5 5287 Em i:i k50 6 .o 1 866 6,- a l h l1@13 cn 3 l c基金项目

:海市科研计划资助项目(8 Z 2 10 )上 0 D 2 0 30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 由于粉末冶金钢的耐磨性、性和抗压强度明韧显优于同类普通钢,热处理尺寸变形远小于同类而

巾刀片使用¥9钢后, 20寿命达到4 0万次, 0 0而原先使用普通钢只达到 10 0多万次。预计在不久的 0将来,末钢将至少取代 4%以上的普通冷作工模粉 0

普通钢,因此在实际应用中获得了极佳的效果,快很被用户所接受,用量呈快速增长的趋势。在国内,粉末钢在冲头、料和刀具方面的应用极为成功,多落很用户已用粉末钢取代普通的冷作工具钢,管钢的尽

具钢,国内的工具制造业将产生较大冲击,对因此我国必须重视粉末冶金钢技术的开发和应用,确保以国内制造业的稳步发展。 参考文献[]G/ 9 2 0合金工具钢[]北京: 1 BT19—0 2 0 s.中国标准出版社,20 0. 0第 5期 5 1

价格远高于普通钢,由于工具寿命高,产成本反但生而有所下降。实际应用的例子如卷烟包装刀具, 目前多采用 K 9¥ 9、3 0和¥ 9 3 0、2 0¥ 9 7 0之类的钢;生卫《处理》热

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中从过饱和固溶体 (氏体 )马中析出 C、 o T等合 o M、i型的 1 N马氏体时效钢的化学成分列于表 1 8i。表 1几种典型的 1 N马氏体时效钢的化学成分 8 i(质量分数, )% T be1 Ch mi l o o i no p a 1 N p al e c mp s i fy i l i e ac t o t c 8 t y o rg gse l(% ) f maa i te n s

马氏体时效钢是强度最高的钢种。其强度虽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 l0 0~ 25 0 MP,随加工参 0 0 a并

金元素的碳化物作为第二相来实现强韧化。几种典高,比同强度级的其他超高强度钢的韧性都高,但

数的变化而有所不同。这些钢的断裂韧度很高,达

9~2 0 M Pa m。 0 0

马氏体时效钢的疲劳性能极好,疲劳强度值其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,可进一步提高马氏体时效钢的疲劳强还

度。表 2列出了标准 1N马氏体时效钢的典型力 8i学性能。1 2热处理工艺简单 .

通常,氏体时效钢的热处理是 80℃固溶退马 2火,温时间按其截面尺寸每 2 m保温 lh计算。保 5m 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,氏体时效钢马必须冷却到室温。通常在 40℃经 3—6h时效处 8理。

1 3焊接性能好 .

马氏体时效钢具有强度高、韧性好、热处理工艺简单、接性能好及冷热加工性能良好等特点,焊尤其一

优良的焊接性能是马氏体时效钢的重要优点之,

惰性气体保护焊是最常用的焊接方法。马氏体

是具有超高强度的同时仍具有良好的塑性和优异的时效钢的焊接性能与以往的超高强度马氏体钢不

断裂韧度,因而可以取代传统的高强度钢被广泛应同,无需预热和后热,也不会产生焊接裂纹。不仅具用于工业、军事等各种领域 J。有好的焊接性能,由于热影响区的硬化效应也小,焊进入上世纪 8年代以来, 0无钴马氏体时效钢的后的时效温度低,品的尺寸变化小, 制因此是很好用研发大大降低了马氏体时效钢的成本,同时,其性能的材料。马氏体时效钢,由于含有易与氧、结合的氮也有了进一步的提高。 T、 l素,接时应采用这些元素的烧损量尽可能 iA元焊

1马氏体时效钢的特点 1 1强度高、 . 韧性好

小的焊接方法,如 TG法、 G法、例 I MI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 1 N马氏体时效钢的典型力学性能 8 i

Ta l Me h n c l r p r e f1 Ni be 2 c a ia o et s o r g n t e s p i 8 ma a i g se l

注: A为固溶处理;固溶处理+变形+ 8 B为冷 4 2℃时效 3h C为固溶处理+ 8; 4 2℃时效 3h

14良好的冷热加工性能 .对于马氏体时效钢可以采取

最常用的热加工技术,

的热加工负载和较高的加工温度,不宜在 l20但 6加工时容易形成这些合金元素的显微偏析,只有通

热加工较容易,加工性与 S 34钢锭大体相同。 q U0 C以上的温度加工。T和 Mo含量较高的钢种, i在

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

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微偏析。

温度,常是在 8 0℃进行退火以溶解沉淀物和消通 1

冷加工性能非常好,拔,轧,曲,冲加工拉冷弯深都非常容易进行。加工过程中无需软化退火即可进行 9%以上的加工。其加工硬化指数为 00 0 . 2~工率的增加,强度提高,断后伸长率及韧性仅稍有但

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,8 i氏体时效钢采用两次 1N马改善钢的强度和韧性的机制,在还不是十分清楚。现

。至于两次退火 00, . 3与普通钢相比降低了一个数量级。随着冷加退火能显著改善钢的强度和韧性 J

降低。因此,冷加工是一种有效的强化手段。冷变但是很明显,一次在比较高的温度退火,为了保第是形后直接时效,强度明显提高,而韧性下降不多。任证钢的完全再结晶;钢在较低温度或者是一次退而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,硬度仅稍有提高。其 火则不太可能完成这一过程。 对于马氏体时效钢,时效硬化之前应该进行高在温扩散退火。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

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 F和 N。从 F . i e i eN

相图可知,8 i e金必须加热到 60o 1%N.合 F 2 C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,以为了保证使它完

全转变成为所奥氏体组织,低也要加热到 7 0以上。实际最 3

温度下原子的扩散速度太低,须在很高的温度保必温。常用的热处理工艺是 118~1 0 4" 4℃保温 4 h 2。以 C s 1 N马氏体时效钢为例,了在钢中得到较 at 7 i 为细的晶粒度,时效之前的热处理制度是 9 2× 在 8 4h+ 9 C×1h十 1 5 3o 8 5℃×1h表 3~ ( )“

上 1N马氏体时效钢的退火温度还远远超过这个 8i

表 3两次退火对马氏体时效钢力学性能的影响 Ta l E e to o b e a n a i g o c a ia r p r e fma a i g s e l be3 f c fd u l n e l n me h n c lp o e t s o r g n t e s n i

注:火后于 4 2 o h时效退 8 X C 3

2 2时效处理 .

度的某个中间温度时,显著提高它们的强度。例将如屈服强度只有 6 0 MP 8 a的 1 N马氏体时效钢, 8i经

2 2 1时效硬化的温度和时间 . .

在 1N马氏体时效钢的时效处理的研究中, 8i时 42× 8 3h时效处理之后,屈服强度可达 l70其 0效温度从低于 3 8℃直到 72℃,间长达 100h 8 2时 0。在工业生产中常用的时效制度是 4 2 o×3h这种 8 C ,工艺是经济的,同时又能得到强度和韧性的理想配A[2 1]口 O

M a时效的作用是巨大的。 P, 这类钢的时效硬化反应也是很迅速的。例如,1 N-C . . M . . T钢在退火状态下硬度为 2 9 i o4 9 o0 4 i 7 8

HR但是在 42℃保温 3ri,度就提高许多, C, 8 n硬 a达到 4 R。若保温 3h或更长,可达 5 R¨。 3H C 则 2H C 1 快速时效反应就是使那些稳定的元素在热处理第 5期 7 1

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

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时参与时效过程。1N马氏体时效钢的时效温度 8i范围为 4 6~ 2 1 5 7℃ l] 1。低于这个温度时效反应很 4效过程,得不到力学性能的良好配合。

步奥氏体形

变处理使奥氏体晶粒尺寸减小到 1 0m以下,得到具有一定延性和 35 0 M a以上的高 0 P。从表 4可以看出, I K M T钢在经过 H89 5

慢,除非保温时间很长。温度太高,会很快破坏时强度则

冷变形后硬度显著提高。

总体来看,如果化学成分控制不是十分理想,则力学性能。 2 2 3时效析出相 ..

当温度下降通过脆性区时,的热加工量有助大9 i 2 r . T.C N一 C. 9 i u+N 1 0 2 b和 B e在 80~6 0℃之间 5 5

改变热处理制度仍可取得某些补偿,以达到要求的于在再结晶奥氏体晶粒内使 T( N) iC、弥散。例如, 进行奥氏体形变 (0 )处理,细化相变马氏体 8%热能

曾有人致力于研究马氏体时效钢的强化机制。晶块的宽度 ( 2 m到 2 I和晶块内板条的宽 从 0 m) x从 . m x .。这种处理使强度增加在某个恒定温度下保温,学性能随保温时间而变度 ( 0 6 I到 0 4 m)力

化的事实早已被认可,是最初用 x一但光合电子衍射 2 0MP并得到高的韧性。 7 a 去辨别沉淀相及其强化机制的研究,没有获得成都功。当时只认为在时效过程中会出现有序化反应。

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,常可使强度提高 20通 0MPa_ l。

另一方面是萃取复制膜, 1N马氏体时效钢从 8i

固溶处理前的马氏体形变能细化奥氏体

的萃取复制膜的电子显微镜照片上可以看到许多很晶粒,使强度有更大的提高。表 5为热处理工艺对8 8 T钢各向异性的影响。日本的 5 0 l y已 0Al o小的分散的微粒。这些微粒即时效过程的产物 H1 K M3

的电子衍射图样是相当于 N3 i Mo的。电子微区分析采用马氏体形变 ( 8冷加工 )使强度提高到 8% 6 a 1 02表明有 M、iF、iC等元素存在。综合这些结 380MP。前苏联的 X1H1M T钢经马氏体形变 o N、eT、o果,并考虑到试验方法和测试技术的准确性,些沉处理 (0~8% )这 6% 0以提高 0 0 2弹性极限,做 .0%供淀微粒应该是 ( iF、 o M N、 e C ) o

以及含 n的沉淀物弹簧使用。T ( N) iC、。

2 3形变热处理 .

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

马氏体时效钢的性能可通过马氏体形变和奥氏奥氏体形变处理,要避免再结晶就能作为在奥氏只

体形变或两者结合而得到提高,这些处理对超硬钢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,速冷却的马氏体是比原马氏体更无序的短 (0 m)。通加 1块到金属间化合物相变温度以下以避免其析出,进过这样的处理,再强度可提高 20~ 0 a 0 30MP。表 4 H 8 9 T钢不同热处理状态下的力学性能 1 K M5Ta l Me h nc l r p r e fH1 9M5 t e n e ie e th a r a me tc n io s be 4 c a ia o e t s o p i 8K T s e l d rdf r n e tt t n o dt n u e i

表 5热处理工艺对 H 8 S 3 1 K M T钢各向异性的影响T be 5 He t r a me t r c s e n e ut g me h n c l r p r e i e e tdr c in o K a l a e t n o e s s a d r s ln c a ia o e i s i d f r n i t s f rH1 8M3 t e t p i p t n e o 8 T se

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,可正常生产出合格的零均第 5期

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件,因此,应用范围较广,航空航天、洋开发、从海原

[5]何毅,苏国跃,曲文生,等.超纯净 1 N马氏体时效钢的晶 8i

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

粒尺寸及其对拉伸性能的影响[] J .金属学报, 0 2 3 ( ) 20, 8 1:5— 7. 35

[6]何毅,柯,杨孔亚凡 .超高强度 1 N无钻马氏体时效钢的力 8i学性能[] J .金属学报, 02, 8 3) 2 82 2 20

3 (: 7—8 .

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:

[ 7]朱景川,来忠红,尹钟大,等.1 N马氏体时效钢铸件组织和 8i力学性能[] J .物理测试, 0 1 3:— . 20, 68 [8]闰春波,维龙 .1N ( 40 a级 )氏体时效钢细化晶粒周 8 i 2 5 MP马

( )机和宇航工程中要求具有优异的力学性能和 1飞焊接性能的零部件。 ( )具制造业,求具有优 2工要良的硬度、韧性和可加工性,且能在充分时效硬化并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,括火箭壳体、机锻件、炮包飞大

工艺[] J .大型锻铸件, 04, l7 20 2:一.[ 9] L i dn,Y nZ oga R vr d as nt d r gaig i iXa og i hnd . eet ut i u n gn n o e e e i

1 N 3 0 aaigs e[] 8 i(5 )m rg t lJ .Maei etr,19,2 6) n e t a L t s 9 5 4(: rl e2 9— 4 . 3 2 2

[0细见广次, 1]中村俊之,中村均.冷加工和热处理对 1N马氏体 8i时效钢的机械性能和纤维组织的影响[] J .长城技术,19, 9 1( ) 7 - 6 1:8 8 .

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、弹的高压壳体,升机起落导直架,铀浓缩用离心机的旋转简体,油化工用压力容石器,动力传动用的轴,高强度螺钉,拔杆,拉铝铸件用模具,级变速器用的钢架多臂带,无发动机泵用阀门

[ 1刘中豪,陈廉.含氢马氏体时效钢低温力学性能行为与断裂 1]机制[] J .金属学报,19 2 ( ) 2 42 1 9 0, 6 4: 8 - . 9[ Y sn Tk y,S zk S t h,K r aah au io ta. 1 2] au aua uu i ao i ui ysiK zhk,e 1 s b E f c fB Co t n n T u h n n y t e S l t n Tr ame tUn fe t

o n e to o g e i g b h ou i e t n — o

drU rc s lzd A s nt i 8 N rg gSel[] e ner t le ut i n 1% iMaai te J . y ai e e nII,1 9, 3 ( 0: 7— 7 . SJ 9 7 8 1 ) 6 1 6 6

[ 3季长恩,威,以银, 1]王单等.未再结晶固溶处理对无钴马氏体时效钢组织和拉伸性能的影响[] J .钢铁, 0 8 9 7 -8 20,: 57 . [4] M d t ei 1 Abes hd,K h de h Mamoi h,K r,e a.O h orl i Moi t 1 ntecr a o e tnb t e a t r o g n s n e i t t n h r e i gh a r a— e we n f cu et u h e s a d P r c p iai ad n n e tt t r o e

弹簧、簧等。板 尽管马氏体时效钢按每 k计算价格要比普通 g钢昂贵,是采用马氏体时效钢制成的零部件,由但却于强度/质量比值高而降低了成本,且加工费用明并显低廉。

met i 55 H SanesSel J .E gne n alr A ay ns n1—P til te[] nier gF i e nl- s i u ss 0 i,2 07,1 4:6 6 3 . 2 6 1

[5]胡正飞,春旭,德峰, .T 5 1王莫等 2 0马氏体时效钢晶粒尺寸对

时效析出的影响[] J .钢铁研究学报, 09 2 ( ) 2— . 20, 1 8: 52 9

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、用中,应应深入研究其固溶、效工艺及强化机制;时进行马氏体时效钢循环相变工艺及影响因素的研究;索进一探步提高其强韧性的途径,发出性能更好的新型马开氏体时效钢。参考文献De k rR F E s c e . a hJT,God n A . 1 Nik lmaa ig sel lma J 8 c e rgn tes

[6]罗艳,胡正飞,斌, 1张等.1N无钴马氏体钢薄壁管径缩机 8i理研究[] J .金属热处理, 0 9, 4 4) 31 . 20 3 (:1.6[7] S iaaA,Yoea a H,Y b uh 1 hbt nzw au ciK,

e a R ltn bten t l e i e e ao wmat n i r h l g n o u h n e a c mp n i g fc t c re st mo p oo y a d v l me c a g c o a yn c o b— e

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第 5期

9 1

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/v1w4.html

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