馬氏體—碳化物鋼

馬氏體鋼具有代表性的鋼種是Crl3型鋼，主要生產(chǎn)的鋼號(hào)有1Crl3(410)，2Crl3(420J1)和3Crl3(420J2)。這類鋼由于合金成分少(主要是Cr)，含碳量也比較高，冶煉的難度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，既可以用精煉爐冶煉，也可以用電爐冶煉。但是，高碳鉻不銹鋼是對(duì)裂紋敏感的鋼種，連鑄較困難，在三大類不銹鋼中，它是最晚實(shí)行連鑄的鋼類。這類鋼中的基礎(chǔ)鋼種1Crl3(410)是這類鋼中最難煉的，其主要問(wèn)題是如何適當(dāng)?shù)乜刂艭，Cr，S等化學(xué)成分，特別是C和S是對(duì)熱加工性能有重大影響的元素。

從金相組織劃分，1Crl3鋼屬于半馬氏體鋼，在常溫下是鐵素體和馬氏體的混合組織。在高溫下(熱加工溫度)也存在α相和γ相組織。熱加工時(shí)由于兩相的變形率不同，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致鐵素體相晶界斷裂。因此，這種鋼的鋼錠開(kāi)坯時(shí)，很容易發(fā)生龜裂或角裂，用連鑄坯熱軋時(shí)也容易出現(xiàn)邊裂。據(jù)資料介紹，兩相中鐵素體(α相)量在10%～30%的范圍內(nèi)最容易軋裂。而影響兩相比例的主要是C、Cr等化學(xué)成分。有人認(rèn)為，含碳量在0.08%～0.12%之間軋裂的敏感性最大。為保證熱加工性能，冶煉這種鋼時(shí)必須對(duì)碳、鉻含量嚴(yán)格地內(nèi)控。標(biāo)準(zhǔn)要求這種鋼的含碳量為≤0.15%，但是，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，用電爐冶煉、澆鑄成5.5t的大鋼錠，若鋼中含碳量≤0.11%(特別是在Cr量高時(shí))，初軋開(kāi)坯時(shí)往往軋裂。為此，把冶煉含碳量控制在0.12%～0.15%之間，目標(biāo)成分定為0.13%。然而，這么窄的控制范圍不僅給煉鋼操作帶來(lái)困難，而且因?yàn)楹剂科咭灿绊懥死滠埑善返募庸こ尚涡裕@是這種鋼冶煉工藝上的一個(gè)難題。

目前國(guó)外的廠家大多采用AOD、VOD或轉(zhuǎn)爐復(fù)吹法冶煉這種鋼，含碳量都控制在0.07%以下(實(shí)際上是冶煉0Crl3)，而且基本上又都是采用連鑄，所以問(wèn)題不太突出。

除了含碳量外，硫?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量的影響也是不可忽視的。硫高時(shí)不僅影響使用性能(如餐具鋼的耐鹽霧腐蝕性)，而且還容易使鋼錠上產(chǎn)生橫向裂紋，開(kāi)坯時(shí)造成“裂口”而導(dǎo)致廢品。在我們的實(shí)際生產(chǎn)中這種情況屢有發(fā)生．為此，鋼的含硫量要求控制在0.013%以下。對(duì)2Crl3，3Crl3等高碳馬氏體鋼來(lái)說(shuō)．工藝操作上的主矛盾是在澆鑄和錠坯的冷卻制度上。模鑄時(shí)，由于鋼錠的導(dǎo)熱性較差，如溫度降到300℃以下再裝入均熱爐就很容易出現(xiàn)炸裂或穿孔，故這種鋼的大鋼錠一般都要求熱送，保證在300℃以上裝爐。在連鑄時(shí)，鑄坯表面易產(chǎn)生凹坑缺陷。板坯冷卻中易產(chǎn)生相變裂紋，所以連鑄很困難。近年來(lái)隨著技術(shù)的提高，改進(jìn)了保護(hù)渣和冷卻制度，這些問(wèn)題已基本得到解決。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)還缺乏這方面的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

屬于這一類的不銹鋼牌號(hào)不多，卻是一些含碳比較高的不銹鋼，如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo鋼等，含碳量偏上限的3Crl3鋼在較低的溫度下淬火，也可能出現(xiàn)這樣的組織。由于含碳量高,上述9Cr18等三個(gè)鋼號(hào)中雖含有較多的鉻，但其耐腐蝕性能僅與含12～14%鍺的不銹鋼相當(dāng)。這類鋼的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、軸承、彈簧及醫(yī)療器械等。

凡是碳含量小于0.25%的碳素鋼或低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)強(qiáng)烈淬火，獲得80%以上甚至100%低碳馬氏體組織，這類鋼統(tǒng)稱為低碳馬氏體鋼。一般情況下，含碳量在0.15%～0.25%范圍內(nèi)的鋼淬火強(qiáng)化效果好，綜合力學(xué)性能高。

1．低碳馬氏體鋼熱處理工藝特點(diǎn)

（1）獲取低碳馬氏體的熱處理淬火加熱溫度為A_c3 （80～120）℃。從淬火強(qiáng)化的效果考慮，適當(dāng)提高淬火加熱溫度，有利于奧氏體的均勻化、提高鋼的淬透性以及縮短加熱時(shí)間。

（2）采用激冷、深冷的強(qiáng)烈淬火冷卻方法（5%～10%NaCl溶液淬火或10%NaOH溶液淬火）。低碳鋼或低碳低合金鋼在強(qiáng)烈淬火后可獲得低碳馬氏體。

（3）低碳馬氏體淬火后可不經(jīng)回火而直接使用。

2．低碳馬氏體的微觀組織

低碳馬氏體的顯微組織由不同位向的的馬氏體板條組成，板條束間為大角度晶界。由于原奧氏體晶粒被不同位向的板條束所分割，所以材料的有效晶粒得到細(xì)化。同時(shí)，板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯(cuò)和細(xì)小分散呈魏氏組態(tài)分布的碳化物，板條馬氏體間分布有殘余奧氏體薄膜，因而低碳馬氏體具有優(yōu)良的強(qiáng)韌特性。

3．低碳馬氏體鋼的性能

經(jīng)過(guò)淬火有較低的缺口敏感性、過(guò)熱敏感性、優(yōu)良的冷加工性、良好的可焊性且熱處理變形小等一系列的優(yōu)點(diǎn)。低碳馬氏體鋼經(jīng)過(guò)淬火后，可獲得脆性較低而塑韌性足夠高的位錯(cuò)板條馬氏體加板條相界殘余奧氏體薄膜，板條內(nèi)部自回火析出細(xì)小分散的碳化物，因而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、塑性、韌性的最佳配合，是固熔強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等共同作用的結(jié)果。低碳馬氏體中溫回火后代替中碳（合金）結(jié)構(gòu)鋼的調(diào)質(zhì)件，其綜合力學(xué)性能完全可達(dá)到要求，而且不論形狀如何復(fù)雜，淬火后不易變形、開(kāi)裂，這樣不僅可給后工序少留加工量，而且給機(jī)加工也帶來(lái)好處。低碳馬氏體鋼由于含碳量較低，鋼的M_s點(diǎn)較高，在淬火過(guò)程中就伴隨著自回火現(xiàn)象，因而可以省去回火工序，從而節(jié)約能源，降低成本，縮短加工周期。

低碳馬氏體鋼是典型的強(qiáng)塑韌配合材料，用處非常廣泛。

馬氏體鋼主要是600MPa 以上的一些高強(qiáng)度鋼種，如800MPa 以上級(jí)別的工程機(jī)械用鋼，600MPa以上級(jí)別的壓力容器和儲(chǔ)罐用鋼等。一般有在線淬火 回火及軋后淬火回火（調(diào)質(zhì)處理）兩種生產(chǎn)工藝。馬氏體的高強(qiáng)度是由于高密度的位錯(cuò)，細(xì)小的孿晶，碳的偏聚，以及馬氏體正方度的間隙固溶等。低碳馬氏體的形態(tài)基本上是板條狀，板條狀之間是小角度晶界，板條內(nèi)有很高的位錯(cuò)密度，有時(shí)還能見(jiàn)到孿晶馬氏體分布于板條之間。但淬火后的馬氏體的塑韌性較差，一般馬氏體鋼在淬火后都要通過(guò)回火工藝以調(diào)整鋼的強(qiáng)韌性匹配，典型組織如圖《馬氏體鋼典型金相結(jié)構(gòu)》所示。

刀剪材料中碳化物的有效控制對(duì)提高產(chǎn)品的性能具有重要作用，國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)刀剪用高碳馬氏體不銹鋼由于存在較多粗大的一次碳化物，導(dǎo)致產(chǎn)品在硬度、耐磨性、鋒利度等方面遠(yuǎn)低于國(guó)外產(chǎn)品。本項(xiàng)目擬結(jié)合優(yōu)質(zhì)刀剪用高碳馬氏體不銹鋼的生產(chǎn)工藝，研究凝固組織控制對(duì)一次碳化物的影響；研究在氣氛保護(hù)電渣重熔過(guò)程中Ti和稀土元素對(duì)一次碳化物的影響機(jī)理；揭示一次碳化物的析出、轉(zhuǎn)變和遺傳規(guī)律。提出控制一次碳化物數(shù)量、形貌、尺寸和分布的關(guān)鍵工藝措施。通過(guò)控制合理的熱處理工藝，降低一次碳化物危害性，同時(shí)使適量的二次碳化物均勻彌散的析出。此項(xiàng)目的研究，旨在通過(guò)科學(xué)的生產(chǎn)工藝，控制碳化物的析出、溶解和分布規(guī)律，提高刀剪材料鋒利度、耐磨性和疲勞抗力，這將為我國(guó)優(yōu)質(zhì)刀剪材料的生產(chǎn)提供必要的理論指導(dǎo)。