淬火温度对含钼马氏体不锈钢组织性能的影响.pdf

第４卷第２期２０１０年６月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．４，Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０１０—文章编号：１６７３－９９８１（２０１０）０２一０１２００５淬火温度对含钼马氏体不锈钢组织性能的影响白’鹤１２，王伯健１，丰振军１，沈志军３，王平怀４（１．西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安７１００５５Ｉ２．宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡７２１００８Ｉ３．咸阳石油钢管钢绳有限责任公司，陕西威阳７１２０００Ｉ４．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡７２１００２）摘要：根据对马氏体不锈钢耐蚀方面的要求，熔炼出了一种含钼马氏体不锈钢。对该不锈钢进行了淬℃火试验．研究了淬火温度对该马氏体不锈钢组织性能的影响，发现经１０８０淬火，钢的硬度达到最高，其原因是在该温度下淬火，钢中大部分碳化物溶解。且铁素体含量非常低，虽奥氏体晶粒有所长大。但幅℃度不大．因此，该马氏体不锈钢在１０８０左右进行淬火是比较合理的．关键词：淬火－马氏体不锈钢Ｉ组织Ｉ性能中图分类号：ＴＧｌｌ３．１文献标识码：Ａ虽然马氏体不锈钢的硬度和强度较高，耐磨性良好，已被广泛应用于航天、航空、医疗、原子能和机械制造等领域［１。２］，但由于其耐蚀性不尽如人意，因此，近年来，如何提高马氏体不锈钢的耐蚀性能成为研究的重要方向之一．对于不锈钢来说增加基体中Ｃｒ含量或获得单相组织是提高其耐蚀性的重要手段．通过在２Ｃｒｌ３马氏体不锈钢中增加Ｍｏ的含量，使之形成Ｍｏ的碳化物，可释放出更多的Ｃｒ进入基体，从而使基体中Ｃｒ的含量增加，提高材料的耐蚀性．本文针对马氏体不锈钢耐蚀性能方面的要求，冶炼出一种含Ｍｏ马氏体不锈钢，并探讨了淬火温度．对该不锈钢组织性能的影响．１实验材料和方法１．１实验材料以２ｃｒｌ３不锈钢废料为原料，在ＣＷ－ＩＪＪ型中频感应炉中熔炼，以１ＣｒｌＴＮｉ７不锈钢和钼铁作为合金化原料，在２Ｃｒｌ３熔化后期加入，以提高合金的收得率．出炉前加入纯铝进行脱氧，用钢模浇注成Ｄ４０姗×１００—ｍｌｎ的不锈钢棒后进行锻造、轧制，在尉ｘ－７５９℃型箱式电阻炉中７５０保温退火２ｈ后空冷，然后用线切割机加工成５０ｍｍＸ２０ｍｍＸ３ｍｍ的片状试收稿日期：２０１０－０１－０４作者简介：白鹤（１９８３一）。男．陕西宝鸡人，硕士研究生．样．其金相组织如图１所示．由图１可以看出，试样的原始组织为铁索体＋碳化物，碳化物数量较多，且尺寸和分布都不均匀．试样的化学成分列于表１．图１试样的原始组织Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｆｏｒｂｏｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｃｏａｔｉｎｇａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ裹ｌ试样的化学成分ＴＡｈｌｅ１Ｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ成分ＣＣｒＭｏＭｎＶＮｂＦｅ含量叫％０．１７１３．１７０．４００．４５０．１００．０１其余万方数据第４卷第２期白鹤，等ｔ淬火温度对含钼马氏体不锈钢组织性能的影响１２１１．２实验方法试样在ＤＲＺ－９型高温箱式炉中以木炭作为保护性气氛进行加热，在油中淬火，淬火温度为９６０～℃１１４０，保温３０ｒａｉｎ．淬火后将试样加工成１０ｍｍ×１０ＩＴｌｒｒｌ×３ｍｉｌｌ的小片，在ＸＱ－２Ｂ型镶样机中镶样．采用奥林巴斯ＧＸ５１型金相显微镜观测试样，用宝棱ＨＸ－１０００ＴＭ显微维氏硬度计测定硬度，打７个硬度点，去掉最高和最低硬度值，再求出平均值作为试样在该温度下的硬度值．硬度计的误差为士１０ＨＶ，载荷为５０ｇ．２实验结果及分析２．１实验结果℃试样经９６０－－一１１４０不同温度淬火后，含Ｍｏ不锈钢和２Ｃｒｌ３不锈钢的硬度随温度的变化如图２所示．由图２可见，随淬火温度的升高，含Ｍｏ不锈℃钢的硬度值先升高后降低，在１０８０时，达到最大℃值．含Ｍｏ不锈钢经９６０～９９０淬火后，硬度较低（２６０＂－２７０℃ＨＶ），且上升的幅度缓慢．经１０２０淬℃火后，其硬度迅速升高，在１０２０一－－１０８０淬火后，试样的硬度虽然随温度的上升而升高，但升幅不大（４９０～５４０℃ＨＶ）．经１０８０～１１４０淬火后，试样的℃硬度随淬火温度的升高而迅速下降，在１１４０时降至３５３ＨＶ．ｏ：＞ＺＶ｛鲢譬℃淬火温廑／Ｏ图２淬火温度对两种不锈钢硬度的影响Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆ３ｔａｉｎｌｅｓｓｓｒｅｅｌ。图３含Ｍｏ马氏体不锈钢在不同淬火温度下的金相组织℃℃℃℃℃℃℃（ａ）９６０Ｉ（ｂ）９９０Ｉ（ｃ）１０２０Ｉ（ｄ）１０５０Ｉ（ｅ）１０８０Ｉ（ｆ）ＩＩｉ０Ｉ（ｇ）１１４０Ｆｉｇ．３ＴｈｅｍｌｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＭｏｑｕｅｎｃｈｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ万方数据１２２材料研究与应用２０１０不同淬火温度下试样的金相组织如图３所示．淬火温度对试样金相组织的影响可从铁素体含量、从原奥氏体晶粒尺寸、碳化物颗粒的大小及数量等方面来分析．随淬火温度的升高，钢中铁素体的含量逐渐降℃低．由图３可见，在９６０～９９０时钢中有大量连续℃的铁素体．在１０２０时，虽然铁素体含量明显减少，℃但依然可见，且为块状．在１０５０时，钢中的铁素体只能在晶界处看到，且为零星不连续的小块．而在℃经１０８０淬火的试样中，铁素体的含量已非常低．℃淬火温度高于１０８０后，铁素体含量继续随温度的℃升高而减少．在１１４０淬火时，试样的晶粒已明显长大．’℃淬火温度为９６０～１１１０时，随淬火温度的升高，试样中的原奥氏体晶粒尺寸变化不大．而淬火温℃度在１１４０时，试样中的原奥氏体晶粒已明显长大．℃淬火温度在９６０～９９０时，钢中碳化物颗粒较℃大且多，分布不均．在１０２０淬火时，碳化物的数量℃℃和直径都较９９０时明显减小．在１０５０，－－．１１１０淬火时，随着温度的升高，钢中碳化物颗粒的数量和直径继续减小，且分布趋于均匀．而当淬火温度升至℃１１４０时，钢中碳化物颗粒的大小和数量都已显著减小，且晶粒尺寸明显长大．２．２结果分析将图２的硬度与淬火温度的关系曲线和图３的金相组织照片对比后可以看出，淬火温度为９６０～℃１１４０时，试样硬度的变化主要取决于未溶碳化物颗粒的大小和数量、铁素体及残余奥氏体的含量．对于淬火的钢来说，由于铁素体的硬度要远远小于马氏体的硬度，因此，淬火后钢的铁素体含量越少，其硬度就越大．残余奥氏体含量的增加会降低淬火后不锈钢的硬度．对于２Ｃｒｌ３不锈钢来说，淬火温度越高，铁素体含量越低，而残余奥氏体的含量越℃高．试样在９６０～９９０淬火时，不锈钢中铁索体含量随温度的升高略有减少．由于Ｍｏ是形成铁素体的元素，因此，在此温度段淬火，含Ｍｏ不锈钢的硬℃度比２Ｃｒｌ３钢的硬度还低（图２）．在１０２０淬火时，不锈钢试样中铁素体的含量迅速减少，且由原来连续的带状转变成块状，使得不锈钢的硬度迅速上℃℃升．由１０２０和１０５０不锈钢的金相组织可见，随着淬火温度的升高。试样中的铁素体继续减少，因℃此，硬度继续随温度的升高而升高．在１０８０淬火时，钢中的铁素体含量已非常低，说明此时钢已基本℃完全奥氏体化．因此，在１０８０淬火时钢的硬度较℃℃℃１０２０和１０５０的高．当淬火温度在１１１０时，虽然铁素体含量随着温度的升高继续减少，但在该温度下大量奥氏体稳定元素已溶于机体，又由于Ｍｏ的加入使钢的Ｍｓ点降低，马氏体形核减少，从而导致淬火后残余奥氏体增多，使钢的硬度下降．因℃℃此，在１１１０淬火，试样的硬度比１０８０时低．从℃１１４０淬火试样的金相组织可以看出，由于温度过高，钢组织中存在大量的残余奥氏体和少量的竹叶状马氏体，并伴有明显的晶粒长大现象．所以，经此温度淬火后，钢的硬度降至很低．２Ｃｒｌ３中的碳化物大多是Ｍ２。Ｃ６（或Ｍ，Ｃ３，Ｍ３Ｃ，Ｍ６Ｃ），而Ｍ２３ｃ６中硼（Ｏｒ）一般在６５％～７０％ｍ］，淬火后２Ｃｒｌ３中未溶碳化物的含量越少，溶解于基体中的Ｃ和Ｃｒ就越高，因此淬火钢的硬度就越大，耐蚀性也越好．Ｍｏ不仅是缩小奥氏体区的元素，更重要的是它是形成中强碳化物的元素，由于Ｍｏ与Ｃ的亲和力要大于Ｃｒ与Ｃ的亲和力，在２Ｃｒｌ３钢中加入的Ｍｏ会优先与Ｃ形成碳化物．因此，含Ｍｏ不锈钢的碳化物类型组成应是Ｍｏ的碳化物（ＭＣ，Ｍ２Ｃ）、Ｃｒ的碳化物（Ｍ２。Ｃ６）和Ｍｏ，Ｃｒ的碳化物．另外，Ｍｏ碳化物的形成也会使钢基体中的Ｃｒ含量增加，从而使不锈钢的耐蚀性增强．当试℃样在９６０＂－－９９０淬火时，由于钢中有大量的未溶碳℃化物，因此，钢的硬度较低．在１０２０～１０５０淬火时，随着温度的升高，碳化物的数量和直径虽然都在减小，但减小的幅度不大，所以钢的硬度的增幅不℃大．在１０８０时，钢中碳化物的数量进一步减少，钢℃的硬度上升较明显．１１１０淬火后，试样中的碳化℃℃物数量与１０８０时相比变化不大．１１４０时，虽然组织中的碳化物分布均匀，但此时钢的晶粒尺寸明℃显变大，已影响到钢的其他机械性能．因此，１１４０已高于该钢的最佳淬火温度．℃由此可见，在１０５０～１０８０左右进行淬火，可以得到未溶碳化物、铁素体及残余奥氏体含量都较少的组织，此时晶粒尺寸长大幅度不大，且钢的硬度较高．所以在这个温度范围内对含Ｍｏ马氏体不锈钢进行淬火是比较合适的．３讨论℃图４为２Ｃｒｌ３不锈钢在１０５０的淬火组织．由万方数据第４卷第２期自鹤，等ｚ淬火温度对含钼马氏体不锈钢组织性能的影响１２３图４可见，组织中除存在很少量的铁素体外（硬度为２３３ＨＶ），其余均为马氏体组织（硬度为５３５ＨＶ）．２Ｃｒｌ３不锈钢中碳化物（Ｍ：。Ｃ６）的数量与高于１０５０℃淬火的含Ｍｏ不锈钢相比明显减少．由于Ｍｏ的碳化物熔点高于Ｃｒ的碳化物的熔点，随着温度的升℃高，Ｃｒ的碳化物逐渐溶解，在１０５０左右基本全部℃溶解．因此，可以断定含Ｍｏ不锈钢在１０５０以上依然存在的碳化物是Ｍｏ的碳化物．—图５为ｗ（Ｃｒ）＝１３％的ＦｅＣｒ－Ｃ三元系相图的垂直截面图［７］，当硼（ｃ）约为０．２％时，其相变机制℃如图中的竖线所示．当淬火温度在１０５０时，２Ｃｒｌ３不锈钢已完全奥氏体化，这也说明在该温度下淬火，铁素体基本上已全部转变为奥氏体，大部分碳化物也溶解到奥氏体当中，因此，该温度下淬火组织中应只剩下微量的未溶碳化物．由于Ｍｏ是铁素体形成元素，能缩小奥氏体区域，当Ｍｏ加入到不锈钢中４结论后，相图会发生相应的变化，使奥氏体区域缩小，提高了完全奥氏体化的温度，因此，含Ｍｏ不锈钢的最佳淬火温度要比２Ｃｒｌ３不锈钢的高．图４℃２Ｃｒｌ３不锈钢１０５０淬火金相组织Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ２Ｃｒｌ３ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｑｕｅｎｃｈｅｄａｔ℃１０５０图５，，ＫＣｒ）－－－１３％的Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ三元系相图的垂直截面图Ｆｉｇ．５ＴｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆＦｅ－Ｃｒ－Ｃｔｅｒｎａｒｙｐｈａｓｅｄｉａｇｒａｍｃｏｎｔａｉｎｅｄ１３％Ｃｒ℃（１）含Ｍｏ马氏体不锈钢在９６０＂－１０８０淬火℃时，其硬度随温度的升高而升高．在１０８０一－１１４０淬火时，该不锈钢的硬度随淬火温度的升高而迅速下降，主要原因是残余奥氏体的增加．℃（２）１０５０以后淬火，钢中存在的未溶碳化物为Ｍｏ的碳化物．℃（３）含Ｍｏ马氏体不锈钢在１０５０－－。１０８０左右进行淬火比较合适．万方数据１２４材料研究与应用２０１０参考文献：［１］肖纪美．不锈钢的金属学问题［Ｍ］．北京ｓ冶金工业出版社，２００６．［２］姜越，尹钟大，朱景川，等．马氏体时效不锈钢的发展现状［Ｊ］．特殊钢，２００３，２４（３），１－５．［３］王平怀，王伯健，宋景娜．淬火温度对２Ｃｒｌ３不锈钢组织—和性能的影响［Ｊ］．热加工工艺，２００８，３７（４）ｔ７１７３．［４］胡正飞，杨振国．长期高温时效Ｆ１２耐热合金钢中碳化物形态和组分变化口］．金属学报，２００３（２）。１３１－１３５．［５］ＥＧＧＥＬＥＲＧ．ＴｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆ—ｌｏｎｇｔｉｍｅｃｒｅｅｐｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｃｏａｒｓｅｎｉｎｇｏｎｔｅｍｐｅｒｅｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＡｃｔａＭｅｔａｉｌ．１９８３。３７：３２２５．［６］ＴＨＯＭＳＯＮＲＣ，ＢＨＡＤＥＳＨＩＡＨＫＤＨ．Ｃａｒｂｉｄｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｎ１２ＣｒＩＭｏＶｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＭｅｄｔＴｒａｎｓ，１９９２，Ａ２３１１１７ｉ．［７］石德珂．材料科学基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ’ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＭｏｅｌｅｍｅｎｔＢＡＩ”Ｈｅｌ，ＷＡＮＧＢｏ－ｊｉａｎｔ，ＦＥＮＧＺｈｅｎ－ｊｕｎｌ，ＳＨＥＮＺｈｉ－｝ｕｎ３，ＷＡＮＧ‘Ｐｉｎｇ－ｈｕａｉ（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・Ｘｉ＇ａｎ，７１００５５，Ｃｈｉｎａ１２．ＢａｏｊｉＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｔｅｅｌＰｉｐｅＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂａｏｊｉ，７２１００８，Ｃｆｉｉｎａ；３．ＸｉａｎｙａｎｇＰｅｔｒｏｌｅｕｍＳｔｅｅｌＴｕｂｅａｎｄＷｉｒｅＲｏｐｅＣｏ．Ｌｔｄ．．Ｘ缸ｎｙａｎｇ，７１２０００，Ｃｈｉｎａ；４．ＢａｏｊｉＯｉｌｆｉｅｌｄＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．Ｌｉｄ．，Ｂａｏｊｉ，７２１００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｋｉｎｄｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＭｏｅｌｅｍｅｎｔｗａｓｓｍｅｌｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｒｏｐｅｒｉｉｅｓ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｑｕｅｎｃｈｉｎｇｉｎｏｉｌｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｈａｒｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｐｅａｋｖａｌｕｅｗｈｅｎｔｈｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓａｔ℃１０８０．Ｔｈｉｓｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｍｏｓｔｏｆｃａｒｂｉｄｅｗａｓｄｉｓｓｏｌｖｅｄａｎｄａｓｉｎａｉｌｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｆｅｒｒｉｔｅｅｘｉｓｔｅｄ．Ａｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎｂｅｇａｎｔｏｇｒｏｗｂｕｔｔｏｏｓｌｏｗｌｙａｔ℃１０８０．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｒｅａｓｏｎａ－ｂｌｅｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｉｓａｂｏｕｔ℃１０８０．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＩｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ万方数据