Mo含量對沉淀硬化不銹鋼組織及力學(xué)性能影響

付錦江, 王國星（通信作者），戈秀婷，曹 博，張志成，彭 飛

（1黑龍江工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150050）

（2北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083）

0 引言

鋼鐵材料以其優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度、韌性等性能成為工業(yè)生產(chǎn)中四大材料之一，在使用質(zhì)量上穩(wěn)居四大材料之首，因此，一個國家工業(yè)化水平的高低取決于鋼的產(chǎn)量。不銹鋼是鋼鐵材料中一種特殊的Fe-C合金，因其擁有優(yōu)良的耐磨性、耐腐蝕性，強(qiáng)韌性和良好的可加工性，在宇航、軍工、海洋、化工和能源等方面被廣泛地應(yīng)用。由于其特殊的性能，在不同類型的不銹鋼中也占有重要的一席之地。沉淀硬化不銹鋼的化學(xué)成分一般不超過18-8鎳鉻系奧氏體不銹鋼的鎳和鉻含量，含碳量也較低，經(jīng)過適當(dāng)熱處理后即可獲得優(yōu)良的力學(xué)性能及較好的耐蝕性能、焊接性能和良好的沖擊韌性，被制作成齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉(zhuǎn)子、泵件等部件廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、航空及航天等領(lǐng)域[1-4]。其室溫條件下的基本組織可以為奧氏體、鐵素體和馬氏體，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，通過碳化物和金屬間化合物在基體沉淀，使不銹鋼強(qiáng)化的一類不銹鋼[5]。雖然沉淀硬化不銹鋼被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，但其價格十分高昂，使得這類鋼材在一些普通且小型的工業(yè)上的使用的很少[6]。Mo元素是不銹鋼中不可或缺的重要元素之一，主要作用：固溶強(qiáng)化作用；時效強(qiáng)化即回火硬化作用；提高鋼的耐腐蝕性能。其中最主要的是Mo的加入形成了細(xì)小的Mo2C相或Fe2Mo相，增加了二次硬化效應(yīng)。同時，在不銹鋼中Mo元素能促使不銹鋼表面鈍化，能進(jìn)一步提高對有機(jī)酸以及過氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸鹽等的耐腐蝕性，特別可以防止氯離子引起的局部點(diǎn)腐蝕行為。一般來說，鉻含量越高，Mo提高鋼耐點(diǎn)蝕性能效果越明顯[7-9]。

沉淀硬化不銹鋼的研制最早開始于20世紀(jì)30年代。由于沉淀硬化不銹鋼優(yōu)異的性能，國內(nèi)外學(xué)者針對其進(jìn)行了大量的研究。大多研究的熱處理方式為固溶處理和時效處理，也有關(guān)于軋制工藝的研究。通過觀察組織分析組織類型、形態(tài)、大小和分布，通過各種試驗來測試不銹鋼的力學(xué)性能、耐腐蝕性等，來分析不同工藝參數(shù)下材料的特性[10-11]。但是很少有人針對Mo元素含量對沉淀硬化不銹鋼性能進(jìn)行研究，因此，本文制備了一種不含碳的沉淀硬化不銹鋼，以Mo元素含量為變量研究其對沉淀硬化不銹鋼組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

本文設(shè)計了3種成分的沉淀硬化不銹鋼，分別標(biāo)記為M0（0%Mo）、M4（4%Mo）和M7（7%Mo）。實驗為了減少雜質(zhì)進(jìn)入合金中，F(xiàn)e（余量）、Co（5%）、Cr（12%）、Mo、Nb（1%）和Ni（7%）元素的純度為99.90 wt.%，Mo元素純度為99.95 wt.%。其中Si（0.2%）元素采用FeSi合金添加進(jìn)行熔煉。熔煉后采用ICP檢測，測的化學(xué)成分與設(shè)計成分相當(dāng)。

試驗中，每個合金鑄錠按照450 g進(jìn)行配料，然后放入電弧爐銅坩堝中，由于各個合金元素熔點(diǎn)等特性不同，合金放置順序有所差別。首先將FeSi中間合金放入坩堝底部，并在其上部覆蓋一層Fe以確保其能溶解；隨后，將Ni、Cr元素放置在中間部位，減少熔煉對其質(zhì)量損耗；將高熔點(diǎn)Mo、Co、Nb等合金元素放在最頂部。利用機(jī)械泵和分子泵抽真空，真空度達(dá)到5.0×10-4Pa后，充入高純氬氣進(jìn)行保護(hù)。然后進(jìn)行熔煉Ti鑄錠進(jìn)行除氧操作后，在進(jìn)行熔煉合金原料。為了充分均勻化合金元素，熔煉過程中進(jìn)行磁攪拌，并反復(fù)熔煉5次，然后轉(zhuǎn)入倒吸鑄坩堝，利用機(jī)械泵吸鑄入直徑為20 mm的水冷銅模內(nèi)進(jìn)行冷卻成型。之后將得到的試樣進(jìn)行打磨，去掉表面的宏觀缺陷和氧化皮，然后在軋機(jī)進(jìn)行熱軋，其過程是：均勻化溫度1 200 ℃，保溫1 h，開軋溫度1 200 ℃，終軋溫度1 050 ℃，共軋制3道次 ，每道次保溫10 min，軋制完成后水冷。然后冷軋12個道次，最終材料由棒材熱軋至6.5 mm的板材再冷軋為2.5 mm厚度板材，壓下率為61.5%。軋制后將軋板采用電火花機(jī)床切割成金相、硬度、XRD和拉伸試樣。

金相、硬度、XRD試樣依次采用180#、400#、600#、1 000#、2000#的金相砂紙上粗磨細(xì)磨，然后使用2.5 μm金剛石拋光劑在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光。拋光后的試樣超聲清洗吹干置于干燥皿備用進(jìn)行XRD測試。XRD測試采用DX-2700X射線衍射儀進(jìn)行，采用銅靶，試驗后數(shù)據(jù)采用Jade軟件進(jìn)行分析。

金相和硬度用拋光后試樣用三氯化鐵鹽酸水溶液作為腐蝕劑，用鑷子夾取試樣放入腐蝕液中浸泡2 min，用去離子水沖洗后吹干進(jìn)行金相組織觀察和硬度測試。二者分別采用JEOL JSM-6510A掃描電子顯微鏡和HVS-5顯微維氏硬度計測試。硬度測試施加載荷為500 g，力保持時間為15 s，所有試樣的硬度測試數(shù)據(jù)取三個點(diǎn)的平均值，若三個點(diǎn)的硬度差別較大進(jìn)行第四、五點(diǎn)的測量。

拉伸試樣采用砂紙對表面進(jìn)行打磨，采用WDW-100微控電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行單向靜載拉伸測試，加載采用位移控制，速度為2 mm/min，拉伸測量都測量三個平行試樣。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 金相組織分析

圖1分別為含Mo量0%、4%、7%的試樣500倍掃描電鏡二次電子成像組織圖，電鏡工作距離為13 mm，工作電壓為15 kV。

圖1 三種成分掃描電鏡組織圖

通過圖1可以清楚地觀察到不銹鋼的顯微組織形貌：Mo含量為0%和7%的沉淀硬化不銹鋼，其顯微組織均勻?qū)挻?，這種分布均勻地組織呈板條狀和塊狀間隔分布，其主要成分可能是馬氏體，同時可能含有部分少量的為鐵素體。從不含Mo不銹鋼掃描電鏡微觀圖中我們也可以看到其晶界區(qū)分不是那么明顯，當(dāng)Mo含量達(dá)到7%時，晶界已經(jīng)清晰地表現(xiàn)出來。觀察Mo含量為4%的不銹鋼掃描電鏡微觀圖，其中白點(diǎn)可能為腐蝕殘留也可能是腐蝕后的物質(zhì)。并且從三種成分的對比圖也可以看到Mo含量為7%的不銹鋼耐腐蝕性能更好些。

2.2 XRD試驗結(jié)果

XRD主要適用于物質(zhì)內(nèi)的礦物成分以及晶相結(jié)構(gòu)的分析，圖2分別為三種成分沉淀硬化不銹鋼XRD圖譜。

圖2 不同Mo含量的不銹鋼XRD圖譜

根據(jù)Jada軟件擬合分析，M0可以看到不含Mo的不銹鋼主要成分為Fe和Fe-Cr-Ni合金，從M4可以看到Mo含量為4%的不銹鋼主要成分有Fe、Cr和Ni元素，其中Fe元素的含量多一些。而根據(jù)Jada軟件擬合分析圖M7可以看到Mo含量為7%的不銹鋼主要成分是Fe元素和Ni元素。Cr成分相比于Mo含量為4%的不銹鋼來說相對少一些。結(jié)合對不銹鋼的顯微組織分析，從整體圖可以知道三種試樣的峰發(fā)生了重疊現(xiàn)象，由此可見，三種不同Mo含量的不銹鋼成分大致相同。峰強(qiáng)和寬度有差異說明成分有一定差異。

2.3 硬度試驗結(jié)果

從圖3可以看出：無論是軋制面的硬度還是橫向面的硬度，隨著Mo含量的增多，不銹鋼的硬度都隨之增大，且二者差別不大。從中可以明顯發(fā)現(xiàn)Mo含量為7%的不銹鋼硬度最大。軋制面硬度相比0%含Mo量4%、7%含Mo量分別提高了16%、24%，橫向面硬度相比0%含Mo量4%、7%含Mo量分別提高了18%、30%。因此，在此種不銹鋼中添加Mo元素可以顯著地提高不銹鋼的硬度。

圖3 維氏硬度曲線

2.4 拉伸試驗結(jié)果

通過拉伸試驗可以更加全面地反映Mo含量對此種不銹鋼的力學(xué)性能的影響。如圖4為三種成分不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度對比曲線。從圖中可以看到隨著Mo含量的增加，不銹鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均增加。抗拉強(qiáng)度依次為1 032 MPa、1 195 MPa、1 276 MPa，其中，Mo含量為7%的不銹鋼抵抗變形的能力最好，Mo含量為0時抗拉強(qiáng)度最低。Mo含量從0到7%時，其抗拉強(qiáng)度依次增加16%、23%，可見Mo含量對抗拉強(qiáng)度影響巨大。從圖中還可以看出，三種成分的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比較接近，且斷裂前沒有明顯的屈服變形階段，隨著Mo含量增加脆性增大。

圖4 試樣抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度曲線

比較室溫下不同Mo含量對不銹鋼塑性變形指標(biāo)截面斷后伸長率的影響。三者拉伸斷后對應(yīng)的斷后伸長率依次為8.25%、6.4%、4.75%。從中可以看出隨著Mo含量變化，斷后伸長率不斷下降，從最初的8.25%下降到4.75%，Mo含量為7%的不銹鋼試樣的斷后伸長率是最低。結(jié)合拉伸強(qiáng)度曲線說明其復(fù)合材料的強(qiáng)度與塑性是一對矛盾的性能指標(biāo)的規(guī)律，此類材料的強(qiáng)度越高其塑性越差，傾向于靜載拉伸試驗發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)語

本文設(shè)計熔煉的不含碳、不同含Mo量不銹鋼為一種新型高強(qiáng)度沉淀硬化不銹鋼。通過金相組織觀察、XRD分析及力學(xué)性能的硬度和拉伸測試可以看出：不同的Mo含量對不銹鋼的組織和性能具有巨大的影響。隨著Mo含量的增加，不銹鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性能均有所提高，尤其是不銹鋼的硬度和抗拉強(qiáng)度有了顯著提高，而相反不銹鋼的塑性有所下降，所有的不銹鋼斷裂沒有明顯的屈服變形階段，體現(xiàn)出了明顯的脆性斷裂特點(diǎn)。作為一種沉淀硬化不銹鋼需要進(jìn)行固溶和時效處理才能更加充分進(jìn)行沉淀相析出，發(fā)揮沉淀相的微觀強(qiáng)化作用，從而更進(jìn)一步提高不銹鋼的強(qiáng)度和硬度，其他性能也將隨著發(fā)生改變，此將作為下一步繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。