冷处理对超级马氏体不锈钢组织及逆变奥氏体的影响

　　摘要：研究了淬火+回火(No.1钢)及淬火+冷处理+回火(No.2钢)两种处理工艺下，超级马氏体不锈钢组织和性能的差异。结果表明：两钢中基体组织均为回火马氏体，但经过冷处理的No.2钢马氏体板条更平直，尺寸更小。在No.1、No.2钢中，随回火温度的升高，逆变奥氏体含量的变化趋势都为先增高后降低。在No.1、No.2钢中逆变奥氏体达到最大值的回火温度分别为650℃，700℃。No.2钢中Ni元素富集点含量比No.1钢低，但Ni富集点数比No.1钢多。No.1、No.2钢的硬度变化趋势都为先快速降低后缓慢回升，但在相同回火温度下，No.2钢的硬度值更低。

　　关键词：超级马氏体钢；冷处理；组织；硬度；逆变奥氏体

　　超级马氏体不锈钢是一种特殊的不锈钢，是在传统马氏体不锈钢的基础上降低碳含量，同时添加适量合金元素而发展起来的新钢种，因而这种钢具有较好的耐腐蚀性、可焊接性。超级马氏体不锈钢典型的基体金属显微组织为回火马氏体，这种低碳回火马氏体组织具有很高的强度和韧性。冷处理是一种常规热处理的延续，是热处理的继续和补充。通常将在-60～-80℃的处理温度定义为浅冷处理(shallowcryogenictreatment)。目前，冷处理在模具钢及工具钢应用方面有较多研究，而在超级马氏体不锈钢的应用方面报道较少，因此本文从超级马氏体不锈钢出发，探讨冷处理对其组织和性能的影响。

　　1 实验材料及方法

　　采用真空感应熔炼炉对试验用钢进行熔炼，熔炼时炉内真空度在1Pa以下。直接在炉内浇铸，凝固成铸锭。最后用空气锤炼成直径为15mm的棒状试样供试验使用，试验用钢化学成分(质量分数，%)为C-0.02，Mn-0.40，Si-0.27，Cr-14.82，Ni-6.5，Mo-1.8，Cu-1.45。将试验钢加工成直径15mm，高为10mm的试样，将试样在1050℃的炉中保温30min后油淬再进行回火，即淬火+回火，命名为No.1钢。将试样在1050℃的炉中保温30min，油淬，后放入干冰(-81℃)中进行2h冷处理再回火，即淬火+冷处理+回火，命名为No.2钢。

　　热处理后的试样采用XJP-30型倒置式光学显微镜进行组织观察，试样中的奥氏体含量采用D/max～3B型X射线衍射仪测量，试验条件为：Co靶、电压40kV，电流30mA。采用XRD(X-ray diffraction)、TEM(Transmission electron microscope)、EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)对超级马氏体不锈钢中逆变奥氏进行研究，使用洛氏硬度计测试洛氏硬度。

　　2 结果与讨论

　　2.1不同工艺对显微组织的影响

　　图1为No.1钢(1050℃淬火+回火)，No.2钢(1050℃淬火+冷处理+回火)随回火温度升高的显微组织，回火温度为500，600和700℃。由图可知，No.1、2两钢组织均为回火马氏体，且随着回火温度的升高，马氏体板条束变细。在相同回火温度下，经过冷处理的No.2钢回火马氏体板条更平直，尺寸更小，且马氏体板条束更细。

　　2.2不同工艺对逆变奥氏体的影响

　　图2为No.1钢(1050℃淬火+回火)，No.2钢(1050℃淬火+冷处理+回火)随回火温度升高的逆变奥氏体含量图，回火温度在550～800℃。由图2可看出No.1、No.2钢逆变奥氏体含量随回火温度升高，变化趋势都是先升高后降低。但No.2钢在相同回火温度下逆变奥氏体含量更多，且逆变奥氏体含量的最大值升高50℃。由于试验钢经冷处理后，低温下原子的动能会被部分转移，使原子间较难扩散，从而原子间的结合更紧密，因此原子在扩散的过程中需要克服更大的能垒来克服原子间的结合力，而在扩散相变中，能量的获取主要依靠温度的提高，因此试样经过冷处理后形成逆变奥氏体需要更高的温度。

　　从图2还可看出，当回火温度超过逆变奥氏体含量最大值温度时(即No.1钢超过650℃，No.2钢超过700℃)，No.1钢曲线下降平缓，而No.2钢曲线随着回火温度的升高先缓慢后快速下降，即有θ1＜θ2＜θ3，这说明经过逆变奥氏体含量的最大值，随着回火温度的继续升高，会发生α-γ相变而重新转化为马氏体，即逆变奥氏体的回溶。而No.2钢形成逆变奥氏体含量最大值温度区间整体升高，元素的扩散速度更快，从而加速了组织中元素的均匀化，所以向马氏体转变速度更快，即θ1＜θ2；经过冷处理的No.2钢，当回火温度在700～750℃时，原子间还有部分因冷处理而对原子形成的束缚力，使原子不容易扩散至均匀化，所以逆变奥氏体向马氏体的转变相对缓慢，当温度升至750℃时，温度的升高已经完全克服了由冷处理带来的束缚，使扩散得以充分进行，即重新转化为马氏体的速度也会加快。所以，此温度后曲线斜率快速降低，即θ2＜θ3。

　　由于合金元素的扩散是逆变奥氏体形成的主要原因，尤其是奥氏体化元素。所以逆变奥氏体的变化趋势可以用Ni原子的扩散来解释，随着回火温度的升高，Ni原子在马氏体内的扩散系数可由公式(1)得出

　　D=D0exp(-Q/RT)(1)

　　其中，D为扩散系数(cm2/s)，D0为扩散常数，Q为扩散激活能。不同回火温度下Ni元素在马化体区域(DNi-α)，在奥化体区域(DNi-γ)的扩散系数及Ni元素的自扩散系数(Dγ-self)的变化如图3所示。由图3可看出，随着回火温度的升高DNi-α明显大于DNi-γ和Dγ-self，且扩散系数都成指数增加，当回火温度在550～600℃时，Ni原子扩散较小且相对稳定，此时的逆变奥氏体体积分数有少量增加；当回火温度在600～700℃时，Ni原子在马氏体中的扩散速度DNi-α加快，而Ni原子在奥氏体中的扩散速度DNi-γ相对小一些，Ni原子在奥氏体中的扩散相对于Ni原子在马氏体中的剧烈运动可视为静止不动，随着回火温度的升高，越来越多的Ni原子从马氏体中扩散进入奥氏体，由于Ni原子进入奥氏体后扩散速度相对于在马氏体中的扩散速度有所降低(见图3)。在奥氏体内聚集起来的Ni原子就会产生富集，因而在这个回火温度区间逆变奥氏体的体积分数迅速增加；当回火温度升至700℃，DNi-α继续增加，且Dγ-self的增速开始逐渐大于DNi-γ，这说明Ni原子富集的同时，自身的扩散也会导致逆变奥氏体稳定性的降低，使奥氏体中的Ni原子重新扩散回马氏体。所以，随着回火温度的升高，逆变奥氏体重新转变为马氏体而导致其体积分数的降低，即逆变奥氏体的体积分数呈先增加后降低的趋势。

　　2.3不同工艺对逆变奥氏体与Ni元素富集的影响

　　图4为No.1、No.2钢在透射电镜(TEM)下的显微组织，由图4可看出两种工艺下，逆变奥氏体形态有细条状，块状。且多分布在马氏体板条边界、原始奥氏体晶界以及马氏体板条间。但尺寸随回火温度的升高，反而减小。由以上逆变奥氏体含量变化图可知，随着回火温度升高至750℃时，逆变奥氏体体积分数降低，即逆变奥氏体的回溶，所以随着回火温度的升高，马氏体板条边界的逆变奥氏体开始变小。此外，在相同回火温度下，No.1钢的逆变奥氏体尺寸大于No.2钢，且随着回火温度的升高，No.2钢的逆变奥氏体尺寸减小程度更小。由文献可知马氏体在重新回溶为奥氏体的过程中，逆变奥氏体的尺寸减小的程度越小，则逆变奥氏体越稳定，即经过冷处理后的试验钢更稳定。

　　而逆变奥氏体形核与长大都与Ni元素的扩散有密切关系，同时Ni元素能促进α-γ相变，这与文献相符，为进一步验证逆变奥氏体与Ni元素关系，采用TEM-EDS对No.1、No.2钢基体区及逆变奥氏体区Ni元素分布情况进行测试，结果如表1所示。由表1可知，两钢在回火温度为650、750℃时，Ni在逆变奥氏体区的浓度均大于基体区浓度，即在逆奥区富镍而在基体区贫镍。这也更进一步说明逆变奥氏体在形核长大过程中，Ni元素确实发生从基体区向逆变奥氏体形核区域的扩散，从而在逆变奥氏体内形成富镍区。此外，No.1钢的Δ值总是大于No.2钢，说明No.1钢元素扩散更明显，则在逆变奥氏体区Ni元素富集量更大，从而使逆变奥氏体更容易形核长大。所以，在相同回火温度下，No.1钢的逆变奥氏体尺寸大于No.2钢。同时由以上可知，在相同回火温度下，No.2钢的逆变奥氏体含量更大，则说明经过冷处理后原子易被束缚而不容易扩散，原子移动距离变短的同时Ni元素富集点富含量变低，从而经过冷处理后会有更多的元素富集点。

　　2.4不同工艺对洛氏硬度的影响

　　图5为No.1钢(1050℃淬火+回火)，No.2钢(1050℃淬火+冷处理+回火)随回火温度升高的洛氏硬度变化曲线，回火温度为550～750℃。由图5可知No.1、No.2钢随回火温度的升高，硬度变化趋势都为先快速降低后缓慢回升。这说明逆转变奥氏体作为一个软相存在马氏体基体中，与硬度的变化有很大关系，且当回火温度较高时，马氏体向奥氏体转变的驱动力较大，逆变奥氏体的转变量较多，这与文献相符。当回火温度在550～650℃时，随着回火温度的升高，硬度反而降低，且降低速度很快。说明随着回火温度升高，逆变奥氏体不断形成，使试验钢不断软化，从而硬度不断降低，这也与逆变奥氏体体积分数的快速增加相对应；当回火温度在650～750℃时，硬度开始缓慢回升。因为在此区间存在逆变奥氏体含量的最大值，超过逆奥含量的最大值，逆变奥氏体的稳定性就会下降，开始不断转化为马氏体，从而硬度有所回升；此外，No.1钢(27.00～36.20)HRC大于No.2钢(25.36～32.24)HRC，即在相同回火温度下经过冷处理后的试样硬度值变小。由于经过冷处理后，逆变奥氏体的形成元素Ni的富集点变得更多，且经过冷处理后原子容易被束缚而不易扩散，所以大量的Ni原子被束缚住而使富集持续时间变长，所以在相同回火温度下，No.2钢逆变奥氏体的形核点变多，从而形成更多的逆变奥氏体，即在相同回火温度下，经过冷处理后的硬度会变小。

　　3 结论

　　1)No.1(无冷处理)、No.2(有冷处理)钢中基体组织均为回火马氏体，且随着回火温度的升高，马氏体板条束变细。但在相同回火温度下，No.2钢马氏体板条更平直，尺寸更小，板条束更细；

　　2)No.1、No.2钢中随回火温度的升高，逆变奥氏体含量的变化趋势都为先升高后降低，且逆变奥氏体含量的最大值回火温度分别为650℃，700℃；

　　3)超级马氏体不锈钢中逆变奥氏体的形成机制为扩散相变，且No.1钢中的逆变奥氏体Ni浓度高且富集程度大，但富集点少；

　　4)No.1、No.2钢中硬度变化趋势与逆变奥氏体含量变化趋势相对应。即随着回火温度的升高，先快速降低后缓慢回升，且在相同回火温度下，No.2钢的硬度值变小。

　　文/白璇 赵昆渝 姜雯 李俊 李绍宏 李智东

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