[科普中国]-马氏体时效钢

简史

具有工业应用价值的马氏体时效钢，是20世纪60年代初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的。1961～1962年间该公司B0.F0.Decker等人，在铁镍马氏体合金中加入不同含量的钴、钼、钛，通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)钢，并首先将18Ni(200)和18Ni(250)应用于火箭发动机壳体。这类钢种的出现，立即引起了各国冶金工作者的高度重视。60年代的中、后期是马氏体时效钢研究和开发的黄金时代。这期间，国际镍公司和钒合金钢公司(VasCo)又研制出了屈服强度达到2400MPa的18Ni(350)。研究工作者们还对马氏体时效钢的加工工艺、各种性能和强韧化机理进行了大量工作，同时还探索了屈服强度高达2800和3500MPa的所谓400级和500级马氏体时效钢。不过这两个级别的钢种由于韧性太低，而且生产工艺过于复杂，没有得到实际应用。在此期间，马氏体时效钢在工模具领域也有了一定市场。与此同时，前苏联和联邦德国等国也开始了马氏体时效钢的研究。到了70年代，日本因开发浓缩铀离心机，对马氏体时效钢进行了系统、深入的研究。进入80年代以来，由于钴价不断上涨，无钴马氏体时效钢的开发取得了很大进展，如美国的T一250(18Ni一3Mo一10.4Ti—0.1A1)、日本的14Ni一3Cr一3Mo一10.5Ti合金、韩国的w一250(18Ni一40.5w一10.4Ti—0.1A1)和前苏联的H161~6M6(16Ni一6V一6Mo)均相继问世。这些钢不仅使生产成本降低了20%～30%，而且性能也十分接近相应强度水平的含钴马氏体时效钢。

介绍马氏体时效钢是超高强度钢中的一种。这种钢突出的优点是热处理工艺简单方便，固溶后先进行机械加工再进行时效，热处理变形小，加工性能及焊接性能都很好。马氏体时效钢的热处理工艺及性能见下表。近年来，国外用马氏体时效钢制作模具较为广泛；但在国内，由于马氏体时效钢含Ni、Co等贵重金属元素，且含量高，价格昂贵，尚难以广泛应用。该类钢主要用于精密锻模及塑料模具。

热处理工艺及性能

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中国的发展中国从20世纪60年代中期就开始研制马氏体时效钢。最初以仿制18Ni(250)和18Ni(300)为主。到70年代中期又开始研究强度级别更高的钢种和无钴或节镍钴马氏体时效钢，还开发出用于高速旋转体的超高纯、高强高韧的马氏体时效钢(cM一1钢)，研制出高弹性的马氏体时效钢(TM210等)和低镍无钴马氏体时效钢(12Ni一3Mn3Mo—TiAlV)。

主要成分及其作用由于马氏体时效钢不是靠碳的过饱和固溶或碳化物沉淀，而是靠某些合金元素在时效时产生金属间化合物析出而强化的，因此，钢中的碳，与硫，磷一样，为有害杂质元素。要求碳含量愈低愈好，一般不应超过0.03%(对于重要用途，应低于0.01%)。钢中主要合金元素为镍，钴，钼，钛，

铬和锰在马氏体时效钢中可用来部分代替镍和钴，在近期发展的无钴钢种中还用钨代钼或用钒代钴。硅为杂质元素，其含量不应超过0.1%。铝一一般是作为炼钢时的脱氧剂而加入的，其残余量在0.05%～0.2%范围。此外还可用硼、锆、钙、镁和稀土元素等进行微量元素处理，以改善钢的某些性能。

强度级别常用的典型马氏体时效钢是按强度级别分类的

18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)是得到广泛实际应用的钢种。

近年来一些国家研制出许多马氏体时效钢的变异钢种，特别是开发出了不少具有良好性能的无钴马氏体时效钢。

马氏体时效钢分类既具有高的延性、韧性又能产生超高强度的钢种是马氏体时效钢，研发这种钢的材料学思路是高纯净、高镍、超低碳的钢。这样，即使在较小的冷却速度下也能淬火获得马氏体组织和具有优良的冲击抗力及断裂韧性。三种主要马氏体的时效钢是：

Nil8马氏体时效钢这种钢有三种型号，其屈服强度分别为1350MPa、1650MPa和1950MPa，这类钢的杂质含量很低，需要经一次或二次真空冶炼。并含有0.003%B、0.002%Zr和0.005%Ca以清除杂质并帮助改善热塑变加工性能。

热处理工艺包括850℃～870℃固溶处理，空冷或水淬，再在480℃时效3h。除了Co之外，加入的合金元素都降低Ms点，但可保持Mf点高于室温，这样固溶化后淬冷下来都能完全转化为马氏体。时效析出硬化相主要是小片状，但也有一些。严重过时效也能生成，Co的作用是加强引起析出硬化，而Mo则是时效硬化的主要元素。

调整时效温度、时间，可获得不同的强度。时效温度过高(>600℃)，因钢的点低，会引起奥氏体形成，这种奥氏体由于高度合金化，使Ms点降低到室温以下，而稳定的保留下来。如果需要高强度，可以在时效前对原低碳马氏体进行50%形变量的冷塑性变形加工。

在高抗拉强度下，这种钢仍具有优良的冲击韧性，而且具有强化缺口的作用，其缺口强度与抗拉强度之比在1．35～1．65之间。时效前进行50%的冷变形加工，可将上述名义强度提高到1700 MPa、2000 MPa和2100MPa。

Ni20马氏体时效钢钢的杂质含量与Nil8钢相似，但Ni含量较高，时效硬化元素不用Mo和Co，而是用1．5%Ti、0．25%A1和0．5%Nb来产生。这种钢的Ms点比Nil8钢低，但固溶处理淬冷到室温后仍可充分发生马氏体转变。如果相变不完全，可在一78℃下冷却处理或通过冷塑性变形(冷塑性变形可提高Ms点)来完成，这种钢正常的时效硬化相是和。

Ni25马氏体时效钢这种钢含25%Ni和1．5%Ti、0．25%A1或0．5%Nb(亦可Al、Nb并用)，Ms点低于或接近室温。固溶处理后钢的组织基本是奥氏体，所以应在时效前将其转化为马氏体，为此可以采用两种方法：

(1)奥氏体时效：加热到700℃保持4h使其从奥氏体中析出或。于是奥氏体合金含量降低，Ms点上升，随后冷却时奥氏体大部分转化为马氏体。如在时效硬化处理(480℃，3h)之前进行一78℃冷处理，即可保证马氏体完全转变。700℃的奥氏体时效，由于形成，使奥氏体硬化。但相在相变时会失去共格性，而且在随后马氏体时效硬化时，可以利用的Ti，Al都减小了，所以强度要低些。马氏体时效处理时的析出相是η-。

(2)冷塑变形加工加冷处理：奥氏体冷塑变形加工，变形量应大于25%，才能提高Ms—的温度区段，使该钢在一78℃(干冰)或一196℃(液氮)冷处理时完成马氏体转变，这种加工处理充分发挥合金元素的析出硬化作用，可获得强度高于奥氏体的时效处理。

生产工艺主要生产工艺有冶炼、热加工、冷加工、焊接、热处理和表面处理。

冶炼一般采用真空感应炉熔炼加真空自耗炉重熔的双真空冶炼工艺。对于强度级别在1500MPa以下的钢种，可以采用非真空冶炼，或非真空冶炼加电渣重熔的工艺。但对高强度级别和用途重要的钢种，必须采用双真空冶炼工艺。在真空自耗重熔时，应严格控制电流和熔池温度，以免钢锭产生严重的枝状偏析。

热加工马氏体时效钢在高温下具有良好的热塑性，其热加工性与1Crl8Ni9Ti大体相同。对于钛、钼含量较高的钢种，钢锭凝固时容易发生这些元素的微观偏析，热加工后形成各向异性的带状显微结构。减轻或消除微观偏析的有效措施，是选择合适的钢锭尺寸和热加工时进行充分的高温均质化处理。为了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奥氏体晶界析出引起的高温缓冷脆性，热加工后应尽量避免工件在1100～750C温度区间内缓冷或停留。为了获得细晶粒和较佳力学性能，终锻应在较低温度下(950～850C)，以较大的变形量(大于25%)完成。

冷加工在固溶状态下冷加工性非常好。拉拔、冷轧、弯曲、深冲等加工都容易进行。钢的加工硬化指数为0.02～0.03，与普通钢相比低一个数量级。因此，加工过程中无需软化退火即可进行90%以上变形量的冷加工。

焊接良好的焊接性是马氏体时效钢的优点之一。几乎所有的焊接工艺都能适用。焊丝成分与被焊钢成分基本相同，焊前不必预热，焊后不处理也不会产生裂纹，直接时效后，接头系数即可超过90%。

热处理热处理工艺简单是马氏体时效钢的另一重要优点。钢经热加工后，在冷加工和时效强化之前应进行固溶处理。目的在于：溶解热加工后余留的沉淀物；使基体溶有充足的强化元素；并获得均匀的高位错密度的全马氏体组织。固溶温度通常采用820～840℃，固溶时间为每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷却速度对组织和性能影响不大。马氏体时效钢的高强度是通过时效处理得到的。时效温度一般为480℃，强度级别高的钢种可采用510¨C，时效时间为3～6h，时效后空冷。时效后在马氏体基体上，析出大量弥散的和超显微的金属间化合物质点，使材料强度成倍提高而韧性损失较小。

马氏体时效钢的性能还可通过奥氏体形变，或马氏体形变，或两者结合得到提高。奥氏体形变处理使奥氏体晶粒尺寸减小到10um以下，从而得到具有一定延性的，强度大于3500MPa的马氏体时效钢。在固溶后和时效前进行的马氏体形变处理，由于产生更多的位错，通常可使强度提高200MPa。固溶前的马氏体形变，能细化奥氏体晶粒并增加钢时效后的强度。

表面处理如果不进行表面处理，马氏体时效钢的耐磨性和疲劳强度并不比普通高强钢好。因此对于这种用途的零件，必须进行表面处理(气体渗氮、离子氮化或离子注入等)。离子氮化可使18Ni(250)钢滚动轴承的接触疲劳寿命提高1倍以上。

应用马氏体时效钢已在包括火箭发动机壳体，导弹壳体，铀同位素离心分离机的高速转简，直升飞机起落架，高压容器，转轴，齿轮，轴承，高压传感器，紧固件，弹簧，以及铝合金挤压模和铸件模，精密模具，冷冲模等工模具等方面获得广泛的应用。