18Ni马氏体时效钢热处理工艺的研究

方明敏，李元松

（1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院 扬州分院，江苏 扬州 225003）

0 引言

多晶体金属的拉伸性能和晶粒尺寸之间有着密切的关系。通常认为，晶粒尺寸在0.3μm～400μm范围内都符合Hall—Petch关系，即晶粒尺寸越小，强度越高，马氏体钢也不例外［1］。然而，作为超高强度钢的典型代表，马氏体时效钢的强韧性是固溶强化、位错强化、第二相沉淀强化等诸多因素的综合体现，其复杂的固溶及时效强化行为势必对晶粒尺寸与性能之间的关系产生独特的影响［2］。为此，本文采用正交试验法探究了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间4个因素在提高18Ni（2 240MPa级）钢强韧性及细化晶粒中各自所发挥的作用。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为00Ni18Co12Mo5Ti马氏体时效钢，其化学成分（质量分数）为：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%。

材料经1 200℃×30min空冷预处理后进行试验。金相试样抛光后用15%（质量分数）CrO3水溶液电解腐蚀显示晶粒，在Leica光学显微镜下观察金相组织及测定晶粒尺寸。拉伸性能测试在DNS100型电子万能试验机上进行，试样采用直径d＝6mm的标准试样。冲击性能测试在NI300F型摆锤式冲击试验机上进行，试样采用10mm×10mm×55mm的V型缺口标准试样。未加说明，固溶处理循环次数为4次，然后进行时效。

1.2 正交试验法

试验目的：探索00Ni18Co12Mo5Ti马氏体时效钢经相同条件的预处理后，不同热处理工艺对其力学性能及微观组织的影响。

试验考核指标：抗拉强度、冲击韧性、晶粒度。

确定因素位级：根据生产实践经验及相关专业知识，确定考察固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间4个影响因素，每个因素选取3个位级进行试验。将选好的因素位级列于表1中。

表1 因素位级表

安排试验计划：根据考察因素为4，每个因素的位级为3，选用L9（34）正交表安排试验。试验计划如表2所示（其中1～9为9组正交试验，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为同位级评分和，R为极差）。试验结果记录于表2右边试验结果的相应各栏内。

试验指标的评价和试验结果的分析：由于本试验的考核指标为多个，因此决定采用排队综合评分法。评分的具体办法如下：先分别测定抗拉强度、冲击韧性及晶粒度每个单项指标，然后再根据每项指标的评定结果进行综合评分，第一名给100分，第二名给95分，依次类推。试验结果记于表2综合评分栏中，并以此计算各列同位级评分和Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ及极差。

2 试验结果

2.1 热处理工艺对晶粒尺寸的影响

不同的热处理工艺对原奥氏体晶粒尺寸的影响很大。图1（a）为第3组试验的金相照片，由图可见，试样经4次循环相变热处理可获得均匀细小的等轴晶，平均晶粒直径仅为Φ7μm。图1（b）为第9组试验的金相照片，图片显示，长时间的保温不利于晶粒的细化，即使进行了4次循环热处理，晶粒依然粗大，平均晶粒直径达Φ28.8μm。

表2 试验计划表

图1 18Ni马氏体时效钢经不同热处理后的晶粒度金相照片

2.2 正交试验结果分析

同位级评分和与各因素之间的关系见图2。结合表2和图2可得出下列结论：

（1）从表2直观分析来看，9个试验中，以第1号试验得分最多（为100分），其较优组合是A1B1C3D2。

（2）从表2极差R（各列Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个数字中最大数与最小数之差）分析可知，4个因素的主次顺序是：B，C，A，D。

（3）由图2可知，极差分析的最好条件是A1B1C2D2，该条件是9个试验中没有做过的。将其与第1号试验做对比试验，试验所得结果为：冲击韧性为14.8J/cm2，抗拉强度σb为2 320MPa，可见结果较1号试验好。

（4）由表2和图2可看出，固溶温度具有低比高好的趋势，固溶时间也有短比长好的趋势。由于A，B皆为重要因素，因而按照这种趋势，如果把时效温度（因素C）和时效时间（因素D）分别固定在480℃和4 h，重新选取A因素和B因素（如A4＜860℃，B4＜10 min），则有可能找到更好的位级组合：A4B4C2D2。

图2 因素位级图

3 结论

（1）在18Ni马氏体时效钢中，随着固溶温度的升高，固溶时间的延长，钢的晶粒粗大，固溶时间对其影响最大。

（2）反复循环热处理4次可将平均晶粒直径细化到Φ7μm左右，抗拉强度提高约100MPa。

（3）18Ni（2 240级）马氏体时效钢的最佳固溶温度应低于860℃，固溶时间应少于10min。

［1］何毅，苏国跃，曲文生，等.超纯净马氏体时效钢的晶粒尺寸及其对拉伸性能的影响［J］.金属学报，2002（1）：53-57.

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