Cr-Ni-Co-Mo馬氏體時(shí)效不銹鋼超低溫韌性的研究

文志旻

(1.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司，北京100081；2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)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(qiáng)度僅約250 MPa，隨后使用的07Cr16Ni6等半奧氏體不銹鋼，雖然抗拉強(qiáng)度接近1200 MPa，但其網(wǎng)狀碳化物的出現(xiàn)使其尺寸不超過(guò)60 mm，因此，馬氏體時(shí)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(shí)效不銹鋼內(nèi)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(shí)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(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)；第二種方法是將馬氏體時(shí)效不銹鋼過(guò)時(shí)效形成逆轉(zhuǎn)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(xiàn)有精密鑄造用04Cr14Co9Ni6Mo5馬氏體時(shí)效不銹鋼的規(guī)范內(nèi)，探索大幅改善超低溫韌性的合金配置，對(duì)于實(shí)現(xiàn)這類(lèi)鋼在超低溫環(huán)境下的應(yīng)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(shí)效不銹鋼04Cr14Co9Ni6Mo5，其化學(xué)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(jìn)行-70℃×2 h冷處理，恢復(fù)到室溫后分別進(jìn)行390℃×3 h和480℃×3 h時(shí)效，熱處理后的試樣坯加工成標(biāo)距直徑?5 mm和標(biāo)距長(zhǎng)25 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，以及10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)U型缺口沖擊試樣，分別測(cè)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(jìn)掃描法分別測(cè)定固溶+冷處理態(tài)、390℃和480℃時(shí)效態(tài)組成相的衍射譜，對(duì)比衍射峰的積分強(qiáng)度計(jì)算馬氏體和奧氏體的相對(duì)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(guò)對(duì)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(qiáng)度和超低溫沖擊韌性的關(guān)系，據(jù)此確定與合金元素含量的關(guān)系。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 超低溫沖擊韌性與殘留奧氏體的關(guān)系

(a)爐號(hào)1(b)爐號(hào)2(c)爐號(hào)3(d)爐號(hào)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(gè)爐號(hào)，借助于X射線衍射測(cè)試了固溶+冷處理態(tài)、390℃和480℃時(shí)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(hào)1殘留奧氏體衍射峰相對(duì)強(qiáng)度最低，爐號(hào)4最強(qiáng)。根據(jù)衍射峰對(duì)比計(jì)算爐號(hào)1～4殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為9.0%、13.3%、15.1%和19.5%，390℃時(shí)效試樣的奧氏體量接近于這一結(jié)果，而480℃時(shí)效的試樣略高于固溶、冷處理態(tài)，說(shuō)明已形成少量逆轉(zhuǎn)變奧氏體。

圖2為符合04Cr14Co9Ni6Mo5馬氏體時(shí)效不銹鋼成分規(guī)范的4個(gè)爐號(hào)力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果，390℃時(shí)效態(tài)室溫抗拉強(qiáng)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(qiáng)度相對(duì)較低，超低溫沖擊韌性相對(duì)較高(圖2a)，爐號(hào)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(shí)效態(tài)的超低溫沖擊韌性；480℃時(shí)效抗拉強(qiáng)度上升到1400 MPa以上，而殘留奧氏體量對(duì)室溫屈服強(qiáng)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(hào)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(shí)可以看出大幅改善超低溫沖擊韌性的同時(shí)，室溫屈服強(qiáng)度明顯下降。

(a)390℃時(shí)效(b)480℃時(shí)效圖2 典型爐號(hào)的力學(xué)性能Figure 2 Mechanical properties of typical furnace numbers

2.2 殘留奧氏體與化學(xué)成分的相關(guān)性

為進(jìn)一步證實(shí)殘留奧氏體量與超低溫沖擊韌性的關(guān)系，在上述4爐批的基礎(chǔ)上再選擇7爐批，用同樣的方法檢測(cè)未時(shí)效態(tài)的殘留奧氏體量。圖3為11爐批力學(xué)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(shí)效態(tài)超低溫沖擊韌性?xún)H20 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(qiáng)度平均值從1017 MPa下降900 MPa，抗拉強(qiáng)度維持1200 MPa可能與均勻拉伸變形過(guò)程中殘留奧氏體應(yīng)變誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體有關(guān)?？估瓘?qiáng)度1400 MPa(480℃時(shí)效)超低溫沖擊韌性也呈現(xiàn)脆性和韌性區(qū)域(圖3b)，50 J的韌性區(qū)對(duì)應(yīng)殘留奧氏體量16%～25%，但屈服強(qiáng)度下降幅度更大；脆性區(qū)雖然抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，但超低溫沖擊韌性在10 J以下。

(a)390℃時(shí)效(b)480℃時(shí)效圖3 11個(gè)爐批力學(xué)性能對(duì)比 Figure 3 Comparison of mechanical properties of 11 batches

(a)390℃時(shí)效(b)480℃時(shí)效圖4 馬氏體的形成能力與鋼的化學(xué)成分關(guān)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(lèi)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(guān)，Potak等[3-4]通過(guò)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(dāng)量，其物理冶金意義為馬氏體的形成能力。

3 結(jié)論

(1)390℃時(shí)效抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在1200 MPa左右，殘留奧氏體在13%～25%之間時(shí)超低溫沖擊韌性穩(wěn)定在70 J左右；480℃時(shí)效后抗拉強(qiáng)度達(dá)到1400 MPa，殘留奧氏體在16%～25%之間時(shí)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(qiáng)度下降。