热处理对00Ni18Co8Mo5TiAl钢组织及性能的影响研究

热处理对00Ni18Co8Mo5TiAl钢组织及性能的影响研究

李海宏

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘 要：对00Ni18Co8Mo5TiAl时效钢进行了变形、热处理、焊接等试验。确定采用标准热处理后合金的显微组织为马氏体＋析出相。锻造变形量的大小可以对马氏体时效钢的晶粒细化程度起到一定的作用。经过多次固溶处理后晶粒将变得比较均匀。对于马氏体时效钢与合金结构钢的焊接时的工艺顺序的选择一般要根据零件的具体结构情况进行。

关键词：晶粒度 固溶 时效 热影响区

1 引言

马氏体时效钢国内应用很少，这种材料是一种非常新的材料，马氏体时效钢是1950年被开发出来的。这种超高强度钢问世之后由于它具有高的强韧性和良好的加工性能越来越受到人们的重视。国内外的研究机构正在对其进行的研究，实际应用的较少，只有美国有比较成熟的牌号，应用的相对多一些，国内有少量的应用。为了更好的应用该材料，对热处理的显微组织及性能进行了的研究。

2 试验用材料

作为研究用材料为00Ni18Co8Mo5TiAlΦ85的棒料，对材料化学成分定量分析其结果见表1。

表1 00Ni18Co8Mo5TiAl合金的化学成分（％）

合金中各种元素的含量会对合金的性能产生一定的影响。碳、氮会引起高温缓冷脆性。硅、锰、铬会增加夹杂物而降低韧性，因此马氏体时效钢必须极力减少杂质，因此马氏体钢的熔炼采用真空熔炼。马氏体时效钢中的镍、钴、钼、钛的比例要适当，镍和钼添加过多，Ms点下降，室温下有残余奥氏体，时效时得不到需要的最高强度。如果钼量太少，析出量减少，最高强度得不到。在获得强度的范围内，镍量越多韧性越好。随钼量增加，含钼的金属间化合物不易固溶，而易残留下来。如果进行高温固溶，韧性可以恢复，但晶粒粗大。为此，希望钼含量不超过7％。

3 热处理对材料力学性能及组织的影响研究

3.1 热处理对材料力学性能的影响

马氏体时效钢的热处理时的固溶处理必须保证合金完全奥氏体化，而且由于合金中存在其它元素，因此固溶热处理温度要高于完全奥氏体化温度，获得高位错密度的全马氏体组织并使基体溶解充足的强化元素，还要保证晶粒不发生长大，常用800℃空冷。时效处理的温度一般不低于470℃，低于此温度或保温时间过短，钼和钛析出相不能充分发挥作用合金得不到强化，该材料的性能实测值见表2。

表2 标准热处理后合金性能数据

对材料固溶处理后的硬度进行检查，硬度指标为27.5HRC左右，材料在固溶处理后即淬火后虽然形成了马氏体组织但硬度并不提高，当然强度也很低，在材料的硬度及强度的提高是在固溶+时效后依靠析出相提高材料的强度和硬度。当固溶温度在800℃左右热处理时，强度会提高，当固溶温度达到860℃时，由于晶粒的长大强度会减少。时效处理的温度低于470℃时，Mo和Ti的析出强化作用不能充分发挥，对马氏体钢时效处理后测得硬度为46HRC左右。当时效温度超过520℃或时效时间超过10小时后，将析出奥氏体，呈现过时效状态。因此对于此材料的热处理的重复时效时要充分考虑到是否能发生过时效。

3.2 热处理对显微组织的影响研究

马氏体时效钢具有高的强韧性和良好的加工性能，好的淬透性，从固溶温度不用急冷也可获得马氏体组织。其含碳量较低，淬火状态的马氏体组织，相对较软，且加工硬化性比较低，这有利于马氏体状态下进行成形加工，且加工性能非常好，马氏体时效钢另一个特征是它是在较低温度下进行时效来达到最高的强度，因此尺寸变化较小。马氏体时效钢的强度主要是通过马氏体组织在时效过程中析出金属间化合物来达到的。

合金的力学性能由合金的组织所决定，而合金的组织由各种相来构成。因此，了解各种相的性质和行为以及它们对合金性能的影响就成为十分必要的问题。

热处理后，合金的显微组织为马氏体＋析出相，形貌见图1，固溶时效后，合金中首先析出Ni3Ti。Ni含量少时，Ni3Ti限于晶界和板条界上。当Ni含量为18％时，晶界和板条界上发现不到Ni3Ti。在标准热处理的18Ni马氏体时效钢的电子显微薄膜研究中，观察到的两种类型的沉淀物：一种是处在位错线上和马氏体晶粒边界上的条状沉淀物，而另一种则是孤立地均匀分布在基体中的细小微粒。对两个化学成分非常相近的钢进行了X-光衍射研究，其中一个钢不含Ti，而另一个钢不含Al。

图1 标准热处理后的显微组织500×

4 合金晶粒细化的方法

4.1形变对细化晶粒的影响

形变对于大多数合金结构钢都能起到一定的细化晶粒的作用，但马氏体时效钢形变对细化晶粒的作用没有资料进行介绍，这里我们进行了热形变处理试验，即锻造研究热形变处理对细化晶粒的作用。

通过锻造热变形，变形量的大小可以对马氏体时效钢的晶粒细化程度起到一定的作用，变形量越大，晶粒细化程度越好，而且材料的变形时如果变形趋于一致的变形量，那么最终形成的零件的晶粒大小将比较均匀。在热轧条件下，随总变形量的增加，晶粒越细化，形变量达到91％时可获得5um直径的细晶粒。从理论上分析，降低热轧开始温度，强度并不提高；降低热轧终了温度，发生粗大析出相，引起时效后的强度下降。因此为了提高马氏体时效钢的强度和韧性，必须获得不存在粗大析出相的超细化奥氏体组织。为此，必须采用与合金结构钢不一样的特殊的形变热处理。

4.2 热处理对细化晶粒的作用

一般合金结构钢的细化晶粒的热处理方法为采用正火处理，将材料重新奥氏体化后再结晶进行，但对于马氏体时效钢采用这种方法得不到细化的晶粒。

为考察热处理对细化晶粒的作用，采用多次固溶进行晶粒细化。对比锻后状态，固溶状态，三次固溶状态三种热处理状态的低倍和显微晶粒度可知，锻后变形量不够会出现粗晶，存在的粗晶在随后的固溶处理时可以消除一部分，但效果不是很好，经过三次固溶处理后晶粒有略微的长大，但总体上将变得比较均匀。

4.3形变热处理对马氏体时效钢的影响

马氏体时效钢的性能通过马氏体形变和奥氏体形变、或两者结合得到提高。通过奥氏体形变处理，加速冷却到金属间化合物相变温度以下避免析出，再进一步奥氏体形变处理使奥氏体晶粒尺寸减少，得到一定地延性和高强度。当温度下降通过脆性区时大的热加工量有助于在再结晶奥氏体晶粒内使Ti（C、N）弥散。这种处理使强度增加并得到高的韧性。在固溶和马氏体时效之间的马氏体形变处理，由于产生更多的位错，通常可使强度提高。固溶处理前的马氏体形变能细化奥氏体晶粒尺寸，使强度有更大的提高。

马氏体时效钢在时效前的冷变形可使其显著强化，且塑性并不降低。这是因为冷变形可使马氏体细化，增加位错密度，加快析出过程且使析出相更均匀弥散分布，同时还可以部分地消除各向异性。

5 马氏体时效钢的焊接分析

5.1 马氏体时效钢之间的焊接

采用马氏体时效钢固溶时效后进行电子束焊接，性能测试结果见表5。

采用马氏体时效钢固溶后进行电子束焊接，焊接后时效，性能测试结果见表6。由于马氏体时效钢的强化效果是通过时效进行强化的，因此对于马氏体钢之间的焊接的工艺顺序的选择非常重要，从以上两种焊接的结果看，时效后焊接与焊接后时效有一定的差别，产生差别的原因是时效后焊接时，时效时产生的强化相又一次的溶入到基体内，使焊接部位的强化效果消除；焊接后的时效则可以使焊接位置再析出强化相保证焊后焊接位置的强度。因此，对于马氏体时效钢的焊接一般应选择的焊接顺序为焊接后进行时效处理。

5.2 马氏体时效钢与合金结构钢之间的焊接

采用马氏体时效钢固溶时效后与9310VAR钢进行电子束焊接，焊接后沿焊缝1/2处，载荷为500g进行显微硬度检查，显微硬度曲线见图2。

图2 焊缝处显微硬度曲线

合金结构钢之间的焊接形成的焊接曲线一般为马鞍型曲线，马氏体钢的焊接比较复杂，而马氏体钢与合金结构钢之间的焊接我们也没有进行过，如何选择焊接工艺也很重要。从研究结果，可以看出马氏体时效钢时效后进行焊接的显微硬度曲线近似于马鞍型，无论在9310钢及马氏体时效钢任何一侧都存在回火的硬度较低区，两侧不同的只是马氏体时效钢一侧的硬度较高。而马氏体时效钢与9310钢焊接后进行时效处理，则发现在焊缝区出现一个明显的台阶区域，台阶区域的元素成分应该是9310钢与马氏体时效钢的混合元素成分，因此在时效后将析出弥散的强化相使其强度硬度将提高形成台阶，台阶区的出现将强化了焊缝的强度，有利于提高焊接的效果。焊接后的时效温度一般为马氏体钢的时效温度，在480℃左右，时效马氏体时效钢的同时9310钢也被进行了回火，其强度也明显下降，因此测出的力学性能指标并不是很高。因此，对于马氏体时效钢与合金结构钢的焊接时的工艺顺序的选择一般要根据零件的具体结构情况进行。不能完全按一种模式进行。

6 结论

采用标准热处理后合金的显微组织为马氏体＋析出相，主要起强化作用的是条状沉淀微粒Ni3Mo，细小的沉淀物微粒Ni3Ti。合金中各种元素的含量会对合金的性能产生一定的影响，马氏体时效钢中的镍、钴、钼、钛的比例要适当。变形量的大小可以对马氏体时效钢的晶粒细化程度起到一定的作用，变形量越大，晶粒细化程度越好。经过三次固溶处理后晶粒有略微的长大，但总体上将变得比较均匀。对于马氏体时效钢的焊接一般应选择的焊接顺序为焊接后进行时效处理。对于马氏体时效钢与合金结构钢的焊接时的工艺顺序的选择一般要根据零件的具体结构情况进行，不能完全按一种模式进行。

参考文献

[1]《关于马氏体时效钢的研究》尹钟大 哈尔滨工业大学金属材料热处理教研室1983

[2]《日本金属学会报》河部义邦 1975

[3]《马氏体时效钢》王春旭 北京钢铁研究总院2005

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