马氏体时效不锈钢的设计要点与热处理

 马氏体时效不锈钢

由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加而强化的高强度不锈钢。是20世纪60年代中期发展起来的新钢类。它具有马氏体时效钢的全部优点,又具有马氏体时效钢所不具备的不锈性,同时还对沉淀硬化不锈钢的某些性能进行了改进。因而用马氏体时效不锈钢逐步代替沉淀硬化不锈钢是高强度不锈钢发展的重要趋势。

 

设计要点:

(1)钢中碳含量一般小于或等于0.03%,最好是小于或等于0.01%(这是与马氏体沉淀硬化不锈钢的主要区别之一),使形成的超低碳马氏体基体具有良好的韧性和塑性。同时,极低的碳含量还可改善钢的耐蚀性、焊接性和加工性。

(2)铬含量应大于12%,至少不低于10%,以保证钢具有满意的不锈性和耐蚀性。

(3)足够含量的奥氏体稳定化元素(镍、氮、钴等),一方面为了避免或限制δ一铁素体的形成,另一方面使钢不会形成过多的残余奥氏体。

(4)添加适量的强化元素,例如镍、铝、钛、钼、铌、铍、铜等,这些强化元素能形成细小弥散分布的金属间化合物(NisriNi3AlNi3MoFe2MoNiTiNiAlTiNAlN),它们分布于马氏体基体的位错线上,从而得到满意的强化效果。细小、高度弥散的逆转变奥氏体也有强化效果。

(5)合金元素的配比应使钢的马氏体相变开始温度(Ms)控制在200℃左右,马氏体相变基本完成温度(Mf)控制在室温以上50℃,最低不低于-73℃,以使固溶或简单低温处理能得到完全的板条马氏体组织。

(6)钢中气体(氢、氧、氮)、夹杂(硫、磷以及氧化物硅酸盐、硫化物等)以及硅、锰等元素的含量应尽量低,以便大幅度改进钢的韧性和可焊性。

 

强化原理钢中时效元素的强化效果各异,钛的强化作用最大,如在Crl8Ni8钢中可使硬度达HV550左右,但同时使塑性显著下降。同一强化元素当超过一定含量后,还可能因生成铁素体或残留过多的奥氏体而使强度降低。因此用某些合金元素的复合加入可起到较好的强化效果。在高强度级别的马氏体时效不锈钢中,钴、特别是钴与钼的复合强化具有良好的强化效果,这是由于钴降低了钼在固溶体中的溶解度,使钼的强化作用得以充分发挥且韧性损失较小。如铁铬镍钴钼钛()系钢的强度达1800MPa时尚保持有足够的韧性。同时,由于钴对钢的坛点几乎没有影响,因此若以钴代替部分镍,既可抑制钢中δ一铁素体的形成,又有可能使钢中添加较高的铬而提高钢的耐蚀性。

马氏体时效不锈钢的成分通常为C0.03%Cr=10%15%Ni=6%11%(C0=10%20%)并添加钼及适量钛、铝、铜等元素强化。钢的组织为板条状马氏体及微量的δ一铁素体,奥氏体及大量细小弥散分布的金属间化合物析出相。

 

热处理:

(1)固溶处理。将钢加热到Ac3以上50℃左右(此时所有析出相溶解且晶粒又不剧烈长大),然后空冷,获得均匀、细小的板条状马氏体组织。在此状态钢的硬度较低,可进行各种冷变形、焊接及切削加工;

(2)时效处理。可分为最高强化的时效处理和过时效处理。前者温度一般为480℃左右,时效时间约3小时(不同钢号略有差别),此时可使钢得到最好的强韧性配合,强度较高。过时效处理温度高于最强时效处理温度,此时强度稍低但具有较高的韧性。

 

典型牌号:

(1)00Cr10Nil0M02Al0.3Ti00.2(IN736),由00Nil2D5M03钢发展而来,屈服强度为10501365MPa时具有较高的韧性(冲击功为10534J),耐大气及海洋性大气腐蚀性能介于1crl31Crl7不锈钢之间。这一牌号具有优良的焊接性,焊接效率大于90%并同时具有良好的韧性,并且有较高的抗海水应力腐蚀裂纹的能力,对氢脆不敏感。(2)00Cr14.5Ni60.5Ti0.8(Almar362),此牌号为较经济钢种,屈服强度可达1300MPa。在制造压力容器时为保证安全,只应用到1000MPa水平。由于碳含量以及其他有害元素的含量保持在极低的水平,因而具有较高的韧性和塑性。

(3)00Cr110.75Ni80.5Cu20.25Til0.2Nb0.3(Custom455),其特点是屈服强度达到1620MPa时仍具有很高的断裂韧性和塑性。此外它还具有优良的高温性能,在420℃屈服强度仍可达1230MPa。在650℃时具有优良的抗氧化能力,耐蚀性优于1crl3而与1Crl7相当。该钢用于航空部件、弹簧、保持环、冷冻剂生产设备等。

(4)00Cr15c020M020.9(Pyrometx15),这一牌号是为了提高马氏体时效不锈钢的耐蚀性和避免540℃强度的迅速下降而设计的钢种。时效态在≤580LC时有较高的强度和缺口韧性,接近600℃时仍保持马氏体结构。从室温到540℃伸长率保持不变(15%20%)。温度高于600℃则强度开始下降而同时伸长率增加。

(5)00Crl2Ni80.2c050.3M02Ti00.800Crl20.5Ni70.6C050.4M040.2Ti0.500Cr11Ni70.7Co9M040.5Ti0.14(U1tfort401402403)与一般马氏体时效钢相比,具有优良的耐蚀性,在较高强度下有良好的断裂韧性。该钢可用气体保护焊焊接,在≤400℃可长时间使用。(6)00Cr120.5c0120.5Ni40.5M05(MA164)。其性能与MA36相似,他是在低碳12%铬不锈钢的基础上添加适量镍、钴、钼而发展起来的钢种。抗拉强度可达1760MPa,且仍然保持有足够的韧性。

(7)00Cr12Nil0A110.2Ti(ummar-CR1)。这一牌号是以铝、钛复合强化的钢种,主要用于火箭发动机壳体材料,也可用来制造模具。中国在20世纪末,已有10多个马氏体时效不锈钢获得广泛应用。

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