２０１２年第１期 宝钢技术 ２７ 热处理制度对新型高强度不锈钢组织与性能的影响 王敏，姚长贵，贾利星 ２００９４０） （宝山钢铁股份有限公司特钢事业部，上海摘要：新型高强度不锈钢属于马氏体时效硬化不锈钢，该钢采用二次硬化机理设计成分， 添加多种强碳化物形成元素，添加高量ｃ０细化Ｍ２Ｘ相，在合适的温度回火下，不仅具有高强 度、高硬度，而且还有高的塑性与韧性，在航天航空领域有着广泛的应用前景。主要研究了热 处理制度对新型高强度不锈钢组织与性能的影响，摸索出适合的热处理制度，保证钢获得强度 与韧性的良好配合，为今后进一步研究和使用该钢提供试验依据。 关键词：超高强度钢；热处理制度；力学性能 中图分类号：ＴＧ１４２．１ 文献标志码：Ｂ文章编号：１００８—０７１６（２０１２）０１—００２７—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００８—０７１６．２０１２．０１．００７ Ｅｆｆｅｃｔ Ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ＷＡＮＧ Ｍｉｎ，ＹＡＯ Ｃｈａｎｇｇｕｉ ａｎｄ ＪＩＡ Ｌｉｘｉｎｇ （Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｕｎｉｔ，Ｂａｏｓｈａｎ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｂｅｌｏｎｇｓ ｔｏ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ａｇｅ—ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅ１．Ａｓ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｉｔｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｃａｒｂｉｄｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａ ｌｏｔ ｏｆ Ｃｏ—ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｍ２Ｘ ｐｈａｓｅ ｗｅｒｅ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｉｔ，ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｈａｄ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｈｉｇｈ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗｈｅｎ ｉｔ ｗａｓ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ａｔ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｆｏｕｎｄ ａ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｒｅａ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｇｉｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｔｒｉｅｓ ｔｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｇｉｍｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｏｓｓｅｓｓ ａ ｇｏｏｄ ｍａｔｃｈ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｔｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ；ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｇｉｍｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｕ 刖吾 良好的强韧性，特别适合于轴类、齿轮、轴承、销子 等零部件使用。我公司首次研制与生产新型高强 度不锈钢，对此钢的特性还不十分了解，最佳成分 和最佳热处理制度等都处于摸索阶段。以下是在 研制过程中做的一部分工作，主要是研究不同热处 理制度对该钢组织与性能的影响，目的是为今后的 研究与生产提供一些试验数据。 新型高强度不锈钢属于马氏体时效不锈钢，该 钢不仅具有高强度，而且还具备高的韧性、良好的 抗接触磨损和抗腐蚀性能，在航天航空领域有着广 泛的应用前景。新型高强度不锈钢采用二次硬化 机理设计成分，添加多种强碳化物形成元素和高量 ｃｏ，经渗碳处理具有高的表面硬度，同时芯部保持 １试验用料和试验方法 １．１试验用料 王敏高级工程师１９６４年生１９８７年毕业于辽宁锦州工学院 ２６０３２８２４ 现从事不锈钢材料研究 电话Ｅ－ｍａｉｌ ｍｗａｎｇ＠ｂａｏｓｔｅｅ１．ｃｏｍ 试验用料采用１ ｔ真空感应（ＶＩＭ）浇注６２９０ 电极棒一自耗（ＶＡＲ）重熔一西３６０自耗锭一退火 ２８ 宝钢技术 ２０１２年第１期 一车光一镦粗后锻制９０ ｍｍ×１１０ ＩＴｌｍ方一退火 一轧钢生产一 ２ｌ棒材。 １．２试验方法 再进行精加工至规定试验尺寸，然后进行常规的 力学性能测试及其他物理检验。以下试验采用 Ｍ１２小拉伸样，采用ｕ型冲击试样，试验料化学 成分质量分数如表１。 试样经粗加工后，进行不同热处理制度处理， 表１试验料化学成分 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃ￣ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ％ Ｃ ＷＭｎ ｌ ＷＳｉ ＷＰ ｓ ｌ Ｎ。 ｌ ｃ ＷＭ。 ｖ ＷＣ（， ０．１５０ ０．３００ ０．０８０ ０．００７ ０．００３ ２试验结果 ２．１ 固溶温度对性能影响试验 试验采用三种不同固溶温度处理，保温１ ｈ， 空冷至室温，经深冷处理后，再经一定时间的时效 处理，在相同时效温度下，检验固溶温度对性能的 影响，结果见表２。 从表２可知，在时效温度相同的情况下，随固 溶温度的提高，强度和屈服强度逐渐下降，伸长和 面缩指标变化不大，硬度变化也不大，但韧性指标 冲击值明显提高。 表２ 固溶温度对性能影响 Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ’Ｓ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 固溶温 Ｒ ／ Ｒｐｏ ２／ Ａ４／ ｚ， Ａｋｕ／ ＨＲＣ 度／℃ ＭＰａ ＭＰａ ％ ％ Ｊ １ ８５３ １ ３８８ １９．０ ５６．５ ８０ ５１．５ １ ０５０ １ ８６９ １ ３６３ １８．５ ５５．５ ７６ ５０．０ １ ８００ １ ３４０ ２１．Ｏ ５７．５ ｌ１７ ５１．Ｏ １ １１Ｏ １ ８３０ １ ３５０ ２０．Ｏ ５５．５ １１４ ５０．０ １ ７８０ ｌ ２４Ｏ １９．Ｏ ５６．５ ｌ４４ ５Ｏ．０ １ １３０ １ ７８８ １ ２７５ ２Ｏ．０ ５７．５ １３５ ５０．Ｏ ２．２时效温度对性能影响试验 试样采用同一温度（１ １１０￣（２）固溶处理一深 冷处理一经相同时间不同温度时效处理，检验时 效温度对性能的影响，结果见表３。 由表３可知，随时效温度的升高，强度变化不 大，但屈服强度呈下降趋势；当时效温度升到 ５６０℃时，屈服强度又开始上升。伸长率和断面收 缩率随时效温度升高呈下降趋势，冲击值随温度 升高下降比较明显。时效温度为４９６～５６０ｏＣ时， 硬度（ＨＲＣ）基本保持在５０左右，说明该钢抗回 火能力较高。 ２．１７０ １３．７４０ ４．８９０ ０．６２０ １２．７６０ 表３ 时效温度对性能的影响 Ｔａｂｌｅ ３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｇｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ’Ｓ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 时效温 Ｒ ／ Ｒｖ０ ２／ Ａ４／ ｚ Ａ ｋｕ／ ＨＲＣ 度／℃ ＭＰａ ＭＰａ ％ ％ Ｊ １ ８２０ １ ２９０ ２１．Ｏ ５８．５ ｌ１０ ５０．０ ４９６ １ ８３０ １ ３００ ２０．５ ５６．５ １１６ ５１．０ １ ８３０ １ ｌ２８ １６．０ ５７．Ｏ １２０ ５１．Ｏ ５２０ １ ８３１ ｌ １３６ １８．Ｏ ５６．０ １２３ ４８．５ １ ８３５ １ ０９６ １６．Ｏ ５５．０ ９８ ５１．５ ５４０ １ ８４８ ｌ ０９８ １５．０ ５０．Ｏ ９５ ５１．５ １ ８１４ １ １４５ １４．５ ５Ｏ．５ ６６ ５１．Ｏ ５６０ １ ８２１ １ １４７ ｌ６．０ ５５．５ ７０ ５０．Ｏ １ ８３４ １ １４５ １４．０ ４９．５ ５６ ５０．０ ５８０ １ ８ｌ１ １ １５Ｏ １５．Ｏ ５１．５ ５２ ５０．Ｏ ２．３热处理制度对硬度影响试验 试样从西２１圆棒材上切取１５ １ＴＩｍ长，分别按 下列１ ～８ 制度进行处理，固溶处理后油冷、深冷 和时效处理后，空冷，硬度检验结果见表４。 表４热处理制度对硬度影响 Ｔａｂｌｅ ４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｇｉｍｅ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ’Ｓ ｈａｒｄｎｅｅｓ 序 固溶 深冷 第一次 深冷 第二次 ＨＲＣ 号 处理 处理 时效 处理 时效 １ 热轧态 ４０．５ ２ １ １１Ｏ℃ ３６．５ ３＃ ｌ １１０℃ 、／ ４４．０ ＃ １ １１０℃ 、／ ４９６℃×２ ｈ ５Ｏ．０ ５ ｌ １１Ｏ℃ 、／ ４９６℃ｘ２ ｈ 、／ ５Ｏ．Ｏ ６＃ １ １１０℃ 、／ ４９６℃×２ ｈ 、／ ４９６℃×２ ｈ ５１．５ ７ １ １１Ｏ ４９６℃×４ ｈ ４２．０ ８ １ ｌ１Ｏ℃ 、／ ４９６℃×４ ｈ ５１．Ｏ 由表４可知，热处理制度不同，硬度差别较 大。热轧状态硬度（ＨＲＣ）为４０左右，固溶处理 后的硬度比较低，只有３６左右；经深冷处理后硬 ３０ ３．２时效温度对组织与性能的影响 宝钢技术 ２０１２年第１期 后升高，但冲击值一直呈下降趋势，并且下降相对 明显，这可能与析出脆性相有关。由于该钢是新 研制的钢种，相关资料很少，有些问题有待于以后 进一步研究。 新型高强度不锈钢是通过固溶＋时效处理获 得强化的。由于该钢中含有Ｍｏ、Ｖ等强碳化物形 成元素，固溶时，这些元素溶解到基体中，在随后 时效过程中，在马氏体基体上沉淀析出细小、弥散 的第二相，据资料¨ 介绍，这类钢析出的强化相 Ｌａｖｅｓ相与Ｍ ｃ共同作用，使钢获得了高强度、高 硬度以及高韧性。如表３和表４所示，４９６％时效 处理硬度由固溶后４３，升高到５Ｏ左右，强度也达 到１ ８００ ＭＰａ以上。ｃ０元素的加入，对含Ｍｏ钢 的二次硬化效应有作用。据资料 介绍，含Ｍｏ 的析出相中并不含有ｃｏ元素，然而ｃｏ的加入降 低了Ｍｏ在基体中的溶解度，促进了含Ｍｏ的特殊 金属问化合物的沉淀。由于Ｍｏ合金化的Ｍ２Ｘ 相具有极高的稳定性，减缓了由Ｍ２３Ｃ６碳化物取 ４ 结论 （１）新型高强度不锈钢通过添加强碳化物形 成元素并加入大量ｃｏ元素，经过固溶加时效处 理，在马氏体基体上沉淀析出细小、弥散的第二 相，使钢的强度达到１ ８００ ＭＰａ以上，硬度（ＨＲＣ） 达到５０，冲击韧性达到１１０ Ｊ以上，实现了超高强 度、高硬度和高韧性的配合。 （２）在现在成分控制范围内，该钢经１ １００％ 左右固溶加深冷处理，再经５００％左右时效一定 时间，可以获得高强度和高韧性的良好配合。 （３）这种新型超高强度不锈钢，成分和热处 理制度对性能影响比较大，我厂是首次研制与生 代过程，使钢的回火稳定性提高，因此马氏体再加 热时，在较高温度下，应可以在马氏体基体上产生 沉淀，使钢保持高强度、高硬度。从表３检验结果 可以看到，此钢在４９６～５６０￣Ｃ温度范围内时效， 一产，有些机理性问题还需要进一步深入研究，以便 获得最佳性能组合，满足航空航天工业对材料的 需求。 参考文献 直都保持了１ ８００ ＭＰａ高强度和ＨＲＣ５０的高 硬度。但如果时效时间短，例如４９６℃Ｘ ２ ｈ时 效，沉淀析出相少，将影响强度的提高。时效不仅 要获得高强度和高硬度，还要得到好的韧性。所 以该类新型高强度不锈钢，在５００％左右时效一 ［１］赵振业，李春志，李志，等．一种超高强度不锈齿轮钢强化 相研究［Ｊ］．航空材料学报，２００３，２３（１）：１—５． ［２］陆世英，康喜范．不锈钢［Ｍ］．北京：原子能出版社，１９９５： ２６—３４． 定时间，可以达到强韧性的良好配合。 按照一般马氏体不锈钢变化规律，随回火温 度升高，强度逐渐降低，韧性指标逐渐提高。但该 钢不一样，从表３中看到，随时效温度提高，强度 和硬度变化不大，屈服强度有一些变化，即先降低 （收稿日期：２０１１—１０—１９） Ｊ声 明 田 本刊现已入编《美国剑桥科学文摘（ＣＳＡ）数据库》、《美国化学文摘（ＣＡ）》、《中国学术期刊综合评 价数据库》、《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、《中国核心期刊（遴选）数据库》、《万方数 据——数字化期刊群》、《波兰哥白尼索引数据库》、《中国台湾华艺线上图书馆》，作者著作权使用费用 与本刊稿酬一次性给付，不再另行发放。作者如不同意将文章入编，投稿时敬请说明。 《宝钢技术》编辑部
