18Ni馬氏體時效鋼熱處理工藝的研究

方明敏，李元松

（1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 揚州分院，江蘇 揚州 225003）

0 引言

多晶體金屬的拉伸性能和晶粒尺寸之間有著密切的關系。通常認為，晶粒尺寸在0.3μm～400μm范圍內都符合Hall—Petch關系，即晶粒尺寸越小，強度越高，馬氏體鋼也不例外［1］。然而，作為超高強度鋼的典型代表，馬氏體時效鋼的強韌性是固溶強化、位錯強化、第二相沉淀強化等諸多因素的綜合體現(xiàn)，其復雜的固溶及時效強化行為勢必對晶粒尺寸與性能之間的關系產(chǎn)生獨特的影響［2］。為此，本文采用正交試驗法探究了固溶溫度、固溶時間、時效溫度和時效時間4個因素在提高18Ni（2 240MPa級）鋼強韌性及細化晶粒中各自所發(fā)揮的作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為00Ni18Co12Mo5Ti馬氏體時效鋼，其化學成分（質量分數(shù)）為：Ni 17.65%，Co 11.21%，Mo 4.72%，Ti 1.39%，C 0.002%，P 0.004%，S 0.003%，Al 0.144%，Mn 0.008%，Si 0.037%，W 0.212%。

材料經(jīng)1 200℃×30min空冷預處理后進行試驗。金相試樣拋光后用15%（質量分數(shù)）CrO3水溶液電解腐蝕顯示晶粒，在Leica光學顯微鏡下觀察金相組織及測定晶粒尺寸。拉伸性能測試在DNS100型電子萬能試驗機上進行，試樣采用直徑d＝6mm的標準試樣。沖擊性能測試在NI300F型擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，試樣采用10mm×10mm×55mm的V型缺口標準試樣。未加說明，固溶處理循環(huán)次數(shù)為4次，然后進行時效。

1.2 正交試驗法

試驗目的：探索00Ni18Co12Mo5Ti馬氏體時效鋼經(jīng)相同條件的預處理后，不同熱處理工藝對其力學性能及微觀組織的影響。

試驗考核指標：抗拉強度、沖擊韌性、晶粒度。

確定因素位級：根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗及相關專業(yè)知識，確定考察固溶溫度、固溶時間、時效溫度和時效時間4個影響因素，每個因素選取3個位級進行試驗。將選好的因素位級列于表1中。

表1 因素位級表

安排試驗計劃：根據(jù)考察因素為4，每個因素的位級為3，選用L9（34）正交表安排試驗。試驗計劃如表2所示（其中1～9為9組正交試驗，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ為同位級評分和，R為極差）。試驗結果記錄于表2右邊試驗結果的相應各欄內。

試驗指標的評價和試驗結果的分析：由于本試驗的考核指標為多個，因此決定采用排隊綜合評分法。評分的具體辦法如下：先分別測定抗拉強度、沖擊韌性及晶粒度每個單項指標，然后再根據(jù)每項指標的評定結果進行綜合評分，第一名給100分，第二名給95分，依次類推。試驗結果記于表2綜合評分欄中，并以此計算各列同位級評分和Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ及極差。

2 試驗結果

2.1 熱處理工藝對晶粒尺寸的影響

不同的熱處理工藝對原奧氏體晶粒尺寸的影響很大。圖1（a）為第3組試驗的金相照片，由圖可見，試樣經(jīng)4次循環(huán)相變熱處理可獲得均勻細小的等軸晶，平均晶粒直徑僅為Φ7μm。圖1（b）為第9組試驗的金相照片，圖片顯示，長時間的保溫不利于晶粒的細化，即使進行了4次循環(huán)熱處理，晶粒依然粗大，平均晶粒直徑達Φ28.8μm。

表2 試驗計劃表

圖1 18Ni馬氏體時效鋼經(jīng)不同熱處理后的晶粒度金相照片

2.2 正交試驗結果分析

同位級評分和與各因素之間的關系見圖2。結合表2和圖2可得出下列結論：

（1）從表2直觀分析來看，9個試驗中，以第1號試驗得分最多（為100分），其較優(yōu)組合是A1B1C3D2。

（2）從表2極差R（各列Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三個數(shù)字中最大數(shù)與最小數(shù)之差）分析可知，4個因素的主次順序是：B，C，A，D。

（3）由圖2可知，極差分析的最好條件是A1B1C2D2，該條件是9個試驗中沒有做過的。將其與第1號試驗做對比試驗，試驗所得結果為：沖擊韌性為14.8J/cm2，抗拉強度σb為2 320MPa，可見結果較1號試驗好。

（4）由表2和圖2可看出，固溶溫度具有低比高好的趨勢，固溶時間也有短比長好的趨勢。由于A，B皆為重要因素，因而按照這種趨勢，如果把時效溫度（因素C）和時效時間（因素D）分別固定在480℃和4 h，重新選取A因素和B因素（如A4＜860℃，B4＜10 min），則有可能找到更好的位級組合：A4B4C2D2。

圖2 因素位級圖

3 結論

（1）在18Ni馬氏體時效鋼中，隨著固溶溫度的升高，固溶時間的延長，鋼的晶粒粗大，固溶時間對其影響最大。

（2）反復循環(huán)熱處理4次可將平均晶粒直徑細化到Φ7μm左右，抗拉強度提高約100MPa。

（3）18Ni（2 240級）馬氏體時效鋼的最佳固溶溫度應低于860℃，固溶時間應少于10min。

［1］何毅，蘇國躍，曲文生，等.超純凈馬氏體時效鋼的晶粒尺寸及其對拉伸性能的影響［J］.金屬學報，2002（1）：53-57.

［2］Zhao Z Y.The design of alloy steels［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1999.