文志旻

(1.中國鋼研科技集團有限公司，北京100081；2.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京100081)

超低溫(-196℃)工程早期使用12Cr18Ni10Ti等奧氏體不銹鋼，但室溫屈服強度僅約250 MPa，隨后使用的07Cr16Ni6等半奧氏體不銹鋼，雖然抗拉強度接近1200 MPa，但其網狀碳化物的出現使其尺寸不超過60 mm，因此，馬氏體時效不銹鋼成為超低溫工程用鋼的重要發(fā)展方向。研究表明在馬氏體時效不銹鋼內形成一定量的奧氏體即可大幅提高超低溫韌性[1]，其方法之一是將馬氏體時效不銹鋼在奧氏體化后冷卻到Ms～Mf之間，隨后迅速升溫到350～500℃使未轉變的奧氏體穩(wěn)定化，最終得到穩(wěn)定的殘留奧氏體，但這種工藝在實際生產過程中難以實現；第二種方法是將馬氏體時效不銹鋼過時效形成逆轉變奧氏體，可以改善室溫沖擊韌性，但改善超低溫韌性不明顯[2]。本文在現有精密鑄造用04Cr14Co9Ni6Mo5馬氏體時效不銹鋼的規(guī)范內，探索大幅改善超低溫韌性的合金配置，對于實現這類鋼在超低溫環(huán)境下的應用具有重要的意義。

1 研究方法

研究用鋼為精密鑄造用馬氏體時效不銹鋼04Cr14Co9Ni6Mo5，其化學成分規(guī)范為：C≤0.04%、Si≤0.5%、Mn≤0.7%、12.5%～13.5%Cr、4.5%～6.0%Ni、8.0%～9.0%Co、4.0%～5.0%Mo、S≤0.02%和P≤0.02%。將母合金澆鑄成梅花試棒，從梅花試棒上切取拉伸和沖擊試樣坯，試樣坯熱處理工藝為1130℃×2 h加熱后空冷至室溫(固溶)，隨后進行-70℃×2 h冷處理，恢復到室溫后分別進行390℃×3 h和480℃×3 h時效，熱處理后的試樣坯加工成標距直徑?5 mm和標距長25 mm的標準拉伸試樣，以及10 mm×10 mm×55 mm的標準U型缺口沖擊試樣，分別測試室溫拉伸性能以及室溫和超低溫(液氮)沖擊吸收能量，用X射線步進掃描法分別測定固溶+冷處理態(tài)、390℃和480℃時效態(tài)組成相的衍射譜，對比衍射峰的積分強度計算馬氏體和奧氏體的相對含量。

首先選擇4爐符合上述成分規(guī)范的鑄造梅花試棒，通過對比室溫拉伸性能和超低溫沖擊韌性，初步確定改善超低溫沖擊韌性的殘留奧氏體含量，再選擇更多爐批次研究殘留奧氏體量與室溫拉伸強度和超低溫沖擊韌性的關系，據此確定與合金元素含量的關系。

2 研究結果與分析

2.1 超低溫沖擊韌性與殘留奧氏體的關系

(a)爐號1(b)爐號2(c)爐號3(d)爐號4圖1 4爐鋼固溶+冷處理態(tài)X射線衍射譜Figure 1 X-ray diffraction spectrum of steel solution+cold treatment state of 4 furnaces

選擇符合04Cr14Co9Ni6Mo5鋼成分規(guī)范的4個爐號，借助于X射線衍射測試了固溶+冷處理態(tài)、390℃和480℃時效態(tài)的相組成。從圖1的X射線衍射譜可以看出4爐鋼均為馬氏體和殘留奧氏體，爐號1殘留奧氏體衍射峰相對強度最低，爐號4最強。根據衍射峰對比計算爐號1～4殘留奧氏體體積分數分別為9.0%、13.3%、15.1%和19.5%，390℃時效試樣的奧氏體量接近于這一結果，而480℃時效的試樣略高于固溶、冷處理態(tài)，說明已形成少量逆轉變奧氏體。

圖2為符合04Cr14Co9Ni6Mo5馬氏體時效不銹鋼成分規(guī)范的4個爐號力學性能對比結果，390℃時效態(tài)室溫抗拉強度和室溫沖擊韌性似乎不受殘留奧氏體量的影響，而較高的殘留奧氏體量室溫屈服強度相對較低，超低溫沖擊韌性相對較高(圖2a)，爐號1和2殘留奧氏體量分別為9.0%和13.3%，但前者超低溫沖擊韌性不到后者的13，因此13%左右的殘留奧氏體即大幅提高390℃時效態(tài)的超低溫沖擊韌性；480℃時效抗拉強度上升到1400 MPa以上，而殘留奧氏體量對室溫屈服強度和超低溫沖擊韌性的影響更顯著(圖2b)，13.3%殘留奧氏體(爐號2)超低溫沖擊韌性也僅20 J，15%以上的殘留奧氏體才可大幅提高超低溫沖擊韌性。與此同時可以看出大幅改善超低溫沖擊韌性的同時，室溫屈服強度明顯下降。

(a)390℃時效(b)480℃時效圖2 典型爐號的力學性能Figure 2 Mechanical properties of typical furnace numbers

2.2 殘留奧氏體與化學成分的相關性

為進一步證實殘留奧氏體量與超低溫沖擊韌性的關系，在上述4爐批的基礎上再選擇7爐批，用同樣的方法檢測未時效態(tài)的殘留奧氏體量。圖3為11爐批力學性能隨殘留奧氏體量的變化圖，殘留奧氏體在7%～10%之間，390℃時效態(tài)超低溫沖擊韌性僅20 J左右，即材料處于脆性區(qū)域(圖3a)；殘留奧氏體量在13%～25%之間，超低溫沖擊韌性穩(wěn)定在70 J附近，即所謂的韌性區(qū)。然而，更多的殘留奧氏體(韌性區(qū))使屈服強度平均值從1017 MPa下降900 MPa，抗拉強度維持1200 MPa可能與均勻拉伸變形過程中殘留奧氏體應變誘發(fā)轉變?yōu)轳R氏體有關?？估瓘姸?400 MPa(480℃時效)超低溫沖擊韌性也呈現脆性和韌性區(qū)域(圖3b)，50 J的韌性區(qū)對應殘留奧氏體量16%～25%，但屈服強度下降幅度更大；脆性區(qū)雖然抗拉強度和屈服強度相對穩(wěn)定，但超低溫沖擊韌性在10 J以下。

(a)390℃時效(b)480℃時效圖3 11個爐批力學性能對比 Figure 3 Comparison of mechanical properties of 11 batches

(a)390℃時效(b)480℃時效圖4 馬氏體的形成能力與鋼的化學成分關系Figure 4 The relationship between the forming ability of martensite and the chemical composition of steel

由于奧氏體的穩(wěn)定性決定最終的殘留奧氏體量，包括馬氏體類不銹鋼、半奧氏體不銹鋼和亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼，與C、N、Cr、Ni、Mo、Co等穩(wěn)定奧氏體的合金元素有關，Potak等[3-4]通過多年的研究得到不含δ鐵素體的不銹鋼奧氏體穩(wěn)定性的表征方法，即馬氏體形成的Cr當量，其物理冶金意義為馬氏體的形成能力。

3 結論

(1)390℃時效抗拉強度穩(wěn)定在1200 MPa左右，殘留奧氏體在13%～25%之間時超低溫沖擊韌性穩(wěn)定在70 J左右；480℃時效后抗拉強度達到1400 MPa，殘留奧氏體在16%～25%之間時超低溫沖擊韌性穩(wěn)定在50 J左右，隨殘留奧氏體增多室溫屈服強度下降。