馬氏體時效鋼介紹

馬氏體時效鋼是超高強度鋼中的一種。這種鋼突出的優(yōu)點是熱處理工藝簡單方便，固溶后先進行機械加工再進行時效，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。馬氏體時效鋼的熱處理工藝及性能見下表。近年來，國外用馬氏體時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內(nèi)，由于馬氏體時效鋼含Ni、Co等貴重金屬元素，且含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應(yīng)用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具。

具有工業(yè)應(yīng)用價值的馬氏體時效鋼，是20世紀60年代初由國際鎳公司(INCO)首先開發(fā)出來的。1961～1962年間該公司B0.F0.Decker等人，在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過時效硬化得到屈服強度分別達到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)鋼，并首先將18Ni(200)和18Ni(250)應(yīng)用于火箭發(fā)動機殼體。這類鋼種的出現(xiàn)，立即引起了各國冶金工作者的高度重視。60年代的中、后期是馬氏體時效鋼研究和開發(fā)的黃金時代。這期間，國際鎳公司和釩合金鋼公司(VasCo)又研制出了屈服強度達到2400MPa的18Ni(350)。研究工作者們還對馬氏體時效鋼的加工工藝、各種性能和強韌化機理進行了大量工作，同時還探索了屈服強度高達2800和3500MPa的所謂400級和500級馬氏體時效鋼。不過這兩個級別的鋼種由于韌性太低，而且生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜，沒有得到實際應(yīng)用。在此期間，馬氏體時效鋼在工模具領(lǐng)域也有了一定市場。與此同時，前蘇聯(lián)和聯(lián)邦德國等國也開始了馬氏體時效鋼的研究。到了70年代，日本因開發(fā)濃縮鈾離心機，對馬氏體時效鋼進行了系統(tǒng)、深入的研究。進入80年代以來，由于鈷價不斷上漲，無鈷馬氏體時效鋼的開發(fā)取得了很大進展，如美國的T一250(18Ni一3Mo一10.4Ti—0.1A1)、日本的14Ni一3Cr一3Mo一10.5Ti合金、韓國的w一250(18Ni一40.5w一10.4Ti—0.1A1)和前蘇聯(lián)的H161~6M6(16Ni一6V一6Mo)均相繼問世。這些鋼不僅使生產(chǎn)成本降低了20%～30%，而且性能也十分接近相應(yīng)強度水平的含鈷馬氏體時效鋼。

中國從20世紀60年代中期就開始研制馬氏體時效鋼。最初以仿制18Ni(250)和18Ni(300)為主。到70年代中期又開始研究強度級別更高的鋼種和無鈷或節(jié)鎳鈷馬氏體時效鋼，還開發(fā)出用于高速旋轉(zhuǎn)體的超高純、高強高韌的馬氏體時效鋼(cM一1鋼)，研制出高彈性的馬氏體時效鋼(TM210等)和低鎳無鈷馬氏體時效鋼(12Ni一3Mn3Mo—TiAlV)。

由于馬氏體時效鋼不是靠碳的過飽和固溶或碳化物沉淀，而是靠某些合金元素在時效時產(chǎn)生金屬間化合物析出而強化的，因此，鋼中的碳，與硫，磷一樣，為有害雜質(zhì)元素。要求碳含量愈低愈好，一般不應(yīng)超過0.03%(對于重要用途，應(yīng)低于0.01%)。鋼中主要合金元素為鎳，鈷，鉬，鈦，

鉻和錳在馬氏體時效鋼中可用來部分代替鎳和鈷，在近期發(fā)展的無鈷鋼種中還用鎢代鉬或用釩代鈷。硅為雜質(zhì)元素，其含量不應(yīng)超過0.1%。鋁一一般是作為煉鋼時的脫氧劑而加入的，其殘余量在0.05%～0.2%范圍。此外還可用硼、鋯、鈣、鎂和稀土元素等進行微量元素處理，以改善鋼的某些性能。

常用的典型馬氏體時效鋼是按強度級別分類的

18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)是得到廣泛實際應(yīng)用的鋼種。

近年來一些國家研制出許多馬氏體時效鋼的變異鋼種，特別是開發(fā)出了不少具有良好性能的無鈷馬氏體時效鋼。

既具有高的延性、韌性又能產(chǎn)生超高強度的鋼種是馬氏體時效鋼，研發(fā)這種鋼的材料學思路是高純凈、高鎳、超低碳的鋼。這樣，即使在較小的冷卻速度下也能淬火獲得馬氏體組織和具有優(yōu)良的沖擊抗力及斷裂韌性。三種主要馬氏體的時效鋼是：

Nil8馬氏體時效鋼

這種鋼有三種型號，其屈服強度分別為1350MPa、1650MPa和1950MPa，這類鋼的雜質(zhì)含量很低，需要經(jīng)一次或二次真空冶煉。并含有0.003%B、0.002%Zr和0.005?以清除雜質(zhì)并幫助改善熱塑變加工性能。

熱處理工藝包括850℃～870℃固溶處理，空冷或水淬，再在480℃時效3h。除了Co之外，加入的合金元素都降低Ms點，但可保持Mf點高于室溫，這樣固溶化后淬冷下來都能完全轉(zhuǎn)化為馬氏體。時效析出硬化相主要是小片狀

調(diào)整時效溫度、時間，可獲得不同的強度。時效溫度過高(>600℃)，因鋼的

在高抗拉強度下，這種鋼仍具有優(yōu)良的沖擊韌性，而且具有強化缺口的作用，其缺口強度與抗拉強度之比在1．35～1．65之間。時效前進行50%的冷變形加工，可將上述名義強度提高到1700 MPa、2000 MPa和2100MPa。

Ni20馬氏體時效鋼

鋼的雜質(zhì)含量與Nil8鋼相似，但Ni含量較高，時效硬化元素不用Mo和Co，而是用1．5%Ti、0．25?和0．5%Nb來產(chǎn)生。這種鋼的Ms點比Nil8鋼低，但固溶處理淬冷到室溫后仍可充分發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。如果相變不完全，可在一78℃下冷卻處理或通過冷塑性變形(冷塑性變形可提高Ms點)來完成，這種鋼正常的時效硬化相是

Ni25馬氏體時效鋼

這種鋼含25%Ni和1．5%Ti、0．25?或0．5%Nb(亦可Al、Nb并用)，Ms點低于或接近室溫。固溶處理后鋼的組織基本是奧氏體，所以應(yīng)在時效前將其轉(zhuǎn)化為馬氏體，為此可以采用兩種方法：

(1)奧氏體時效：加熱到700℃保持4h使其從奧氏體中析出

(2)冷塑變形加工加冷處理：奧氏體冷塑變形加工，變形量應(yīng)大于25%，才能提高Ms—

主要生產(chǎn)工藝有冶煉、熱加工、冷加工、焊接、熱處理和表面處理。

馬氏體時效鋼冶煉

一般采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對于強度級別在1500MPa以下的鋼種，可以采用非真空冶煉，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對高強度級別和用途重要的鋼種，必須采用雙真空冶煉工藝。在真空自耗重熔時，應(yīng)嚴格控制電流和熔池溫度，以免鋼錠產(chǎn)生嚴重的枝狀偏析。

馬氏體時效鋼熱加工

馬氏體時效鋼在高溫下具有良好的熱塑性，其熱加工性與1Crl8Ni9Ti大體相同。對于鈦、鉬含量較高的鋼種，鋼錠凝固時容易發(fā)生這些元素的微觀偏析，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結(jié)構(gòu)。減輕或消除微觀偏析的有效措施，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時進行充分的高溫均質(zhì)化處理。為了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性，熱加工后應(yīng)盡量避免工件在1100～750C溫度區(qū)間內(nèi)緩冷或停留。為了獲得細晶粒和較佳力學性能，終鍛應(yīng)在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25%)完成。

馬氏體時效鋼冷加工

在固溶狀態(tài)下冷加工性非常好。拉拔、冷軋、彎曲、深沖等加工都容易進行。鋼的加工硬化指數(shù)為0.02～0.03，與普通鋼相比低一個數(shù)量級。因此，加工過程中無需軟化退火即可進行90%以上變形量的冷加工。

馬氏體時效鋼焊接

良好的焊接性是馬氏體時效鋼的優(yōu)點之一。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同，焊前不必預(yù)熱，焊后不處理也不會產(chǎn)生裂紋，直接時效后，接頭系數(shù)即可超過90%。

馬氏體時效鋼熱處理

熱處理工藝簡單是馬氏體時效鋼的另一重要優(yōu)點。鋼經(jīng)熱加工后，在冷加工和時效強化之前應(yīng)進行固溶處理。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強化元素；并獲得均勻的高位錯密度的全馬氏體組織。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時間為每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷卻速度對組織和性能影響不大。馬氏體時效鋼的高強度是通過時效處理得到的。時效溫度一般為480℃，強度級別高的鋼種可采用510¨C，時效時間為3～6h，時效后空冷。時效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質(zhì)點，使材料強度成倍提高而韌性損失較小。

馬氏體時效鋼的性能還可通過奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結(jié)合得到提高。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下，從而得到具有一定延性的，強度大于3500MPa的馬氏體時效鋼。在固溶后和時效前進行的馬氏體形變處理，由于產(chǎn)生更多的位錯，通常可使強度提高200MPa。固溶前的馬氏體形變，能細化奧氏體晶粒并增加鋼時效后的強度。

馬氏體時效鋼表面處理

如果不進行表面處理，馬氏體時效鋼的耐磨性和疲勞強度并不比普通高強鋼好。因此對于這種用途的零件，必須進行表面處理(氣體滲氮、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上。

應(yīng)用馬氏體時效鋼已在包括火箭發(fā)動機殼體，導彈殼體，鈾同位素離心分離機的高速轉(zhuǎn)簡，直升飛機起落架，高壓容器，轉(zhuǎn)軸，齒輪，軸承，高壓傳感器，緊固件，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模，精密模具，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

由低碳馬氏體相變強化和時效強化兩種強化效應(yīng)疊加而強化的高強度不銹鋼。是20世紀60年代中期發(fā)展起來的新鋼類。它具有馬氏體時效鋼的全部優(yōu)點，又具有馬氏體時效鋼所不具備的不銹性，同時還對沉淀硬化不銹鋼的某些性能進行了改進。因而用馬氏體時效不銹鋼逐步代替沉淀硬化不銹鋼是高強度不銹鋼發(fā)展的重要趨勢。

> 1.6~2.4mm 焊后HRC 30~32 500℃ 2H較硬化,硬度HRC 48~50 馬氏體時效鋼系,鋁壓鑄模,低壓鑄造模,鍛造模,沖裁模,注塑模的堆焊。特殊硬化高韌度合金,非常適用于鋁重力壓鑄模、澆口、延長使用壽命的2~3倍,可制作非常精密之模具、超鏡面（澆口補焊,使用不易熱疲勞裂痕）。

高合金超高強度鋼是合金元素含量大于10%的超高強度鋼。常見的有二次硬化鋼、沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時效鋼等。

中文名稱

高合金超高強度鋼

英文名稱

high alloy ultra-high strength steel

定　　義

合金元素含量大于10%的超高強度鋼。常見的有二次硬化鋼、沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時效鋼等。

應(yīng)用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），金屬材料（二級學科），鋼鐵材料（三級學科），鋼鐵材料品種（四級學科）