马氏体时效钢是上世纪50年代末由国际INCO公司开发出来的一种超高强度钢，其高强度、高韧性和良好的加工性能引起了材料工作者的极大关注。由于这种合金具有高强度、高韧性，并同时具有良好的冷热加工性能，所以不仅很快在宇航、航空及原子能工业等领域得到了较为广泛的应用，而且也开始用于机械制造、化学工业和工模具制造等方面，诸如飞机起落架部件和薄壁骨架结构、火箭发动机和导弹壳体、聚乙烯生产高压系统部件、压铸模、深海潜水壳体及轴和紧固件（螺栓）等。本文研究的材料经真空感应熔炼制备一次锭，并经锻造制成电极进行电渣重熔，电渣重熔锭在1200℃ ×6ｈ保护气氛中进行均匀化退火，并锻造成型。锻造成型后试样的金相照片出现带状组织。带状组织的存在使钢的组织不均匀，影响钢材性能，如形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧性和断面收缩率，造成冷弯不合格、冲击废品率高、热处理时钢材容易变形等。对材料造成不良影响。因此，本文重点探讨带状组织产生的内因，并通过热处理工艺试验探索消除带状组织的方法。

 

1实验内容及结果分析

马氏体时效钢是一种低碳高合金钢，本文中马氏体时效钢经ICP等离子体发射光谱仪分析的成分如表1所示。

 

 

 

 高合金钢在熔铸过程中易产生晶间偏析，这种化学成分的不均匀性是锻造过程中产生带状组织的一个主要原因，因为钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶、各种溶质原子的溶解度不同、合金成分密度差异等因素形成了化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，这种组织在高温均匀化处理时因合金元素的扩散而得到一定程度的缓解，但是由于铸锭中的空位、位错等缺陷的密度较低，这些缺陷所提供的晶格畸变能并不能为大量的溶质原子均匀扩散提供足够的能量，材料中碳的扩散速度比其他合金元素的扩散速度快得多，碳很容易均匀化，但Co、Ni等合金元素不易均匀化。因此铸锭中的大部分粗大树枝晶会在锻造时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，并在一定程度上仍保留着枝晶偏析从而形成碳及合金元素的贫化带彼此交替堆叠。由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同，在外力作用下性能低的带容易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并具有明显的各向异性。因此有必要采取适当的处理来减少或消除带状组织。

1.1 控制带状组织缺陷的工艺方案探索 

（1） 综合锻造。经过单一方向上的锻造后带状组织虽然在后续的热处理后会有所减少，但是难以消除。因为带状组织内合金元素的扩散方向只是平行于锻造方向，不能在三位空间内均匀扩散，这样势必会影响合金元素的充分扩散，其原因可能是相同条件下单一方向锻造的锻造比较综合锻造的要小。为此本试验采用综合锻造（径向十字镦拔＋轴向拔长和镦粗）来减少或消除合金内部的带状组织。图1是锻件坯料的三维示意图，锻造成型的工艺流程为：①沿Ｚ轴方向镦粗；②沿Ｙ轴方向拔长、再镦粗；③沿Ｘ轴方向拔长、再镦粗；④沿Ｚ轴方向拔长成型。该锻造工艺有利于提高锻件的力学性能和减小力学性能的异向性，使锻件中的带状组织进一步变形或破碎，使之在三维空间内分布更均匀。由于带状组织的压缩碎化，减小了其扩散的距离，这能提高随后热处理中的组织均匀化。综合锻造后通过金相照片（如图2）发现锻件的带状组织黑白相间的带状组织有较为明显的碎化现象。

 

 

 

 这说明综合锻造来碎化带状组织的方法是较为有效的。虽然综合锻造能使锻件的带状组织明显碎化，但要彻底消除带状组织、获得理想的均匀化马氏体组织‚还必须进行后续的工艺处理。　

（2） 热处理优化制度。由于锻件中的带状组织已经在综合锻造时基本碎化，要想使之彻底消除，就要使其充分地溶解到基体中去，因此从热处理的角度来看，要消除带状组织就要进行高温均匀化处理，使碎化后的带状组织中的合金元素充分扩散。故本文拟采用高温固溶处理的方法，进一步消除带状组织。

1.1.1 确定高温固溶温度   

本文选择的固溶温度为800℃、900℃、1050℃、1150℃，均保温1h，初步确定最佳的高温固溶温度。不同固溶温度下的金相组织如图3所示。

 

 

从图3中可以看出，随着固溶温度升高，当温度为800℃时（图3（ａ）），带状组织较未综合锻造前，其带间距有一定的减小，但是还没有明显消除，组织中还存在一定的带状组织。当温度升高到900℃时（图3（ｂ）），部分带状组织已经溶解到奥氏体基体中，带状组织明显减少。温度升高到1050℃时（图3（ｃ）），带状组织已基本消除，且组织较为细小均匀，然而随着温度的升高，晶粒也进一步长大，特别是在1150℃时晶粒异常长大（图3（ｄ）），这会影响后续热处理的质量，由于固溶时组织较为粗大，在时效时形成的马氏体晶粒也相应增大，对材料的力学性能造成不利的影响。综合以上分析，确定最佳固溶处理温度为1050℃，因为此时不但带状组织已被基本消除而且晶粒细小均匀。

1.1.2 确定高温固溶时间    

该种材料在固溶温度大于800℃时组织才能完全奥氏体化，但是如果温度过高或者保温时间过长，组织会过度长大，对材料的性能带来不利影响，因此本次实验选取的常规固溶制度为820℃×1ｈ，在常规固溶制度确定的条件下还需进一步确定其高温固溶时间，这样才能得到完整的热处理制度。在常规固溶制度和高温固溶温度不变的情况下，本次实验选择3个不同的高温固溶时间分别是1ｈ、2ｈ、4ｈ，来确定最佳的高温固溶时间。其各自的金相组织如图4所示。

 

 

从图可以看出，图4（ａ）中组织还未达到充分均匀，而图4（ｃ）中组织又过于粗大，对材料时效后的强度均有不利的影响。锻件在1050℃ ×2ｈ＋820℃ ×1ｈ处理时，组织和成分最均匀（图4（ｂ）），这也为时效过程中金属间化合物的均匀弥散析出提供了最好的条件。对材料的强度提高起到了一定促进作用。因此本文确定材料的最佳的热处理制度为1050℃保温2ｈ。

1.2 材料消除带状组织前后力学性能 

通过上述的综合固溶处理，锻件的带状组织被基本碎化或消除，但是还不能确定该种方法对材料的力学性能有何种影响。故对试验材料进行时效处理（480℃、不同时间），通过测量材料的硬度，确定综合热处理优化制度对材料的力学性能的影响，材料经过不同热处理制度所获得的硬度见图5。

 

 

从图5中可以看出，材料在消除带状组织前后，虽然硬度都在时效4ｈ后达到最大值，但是经过综合热处理优化后，材料的硬度有所上升。这是由于在综合固溶处理过程中，带状组织碎化或消除后，材料的组织和成分更加均匀，时效时析出物也更加弥散分布，对硬度的增加起到了一定的促进作用。

 

2结论

（1）马氏体时效钢在锻造过程中出现严重的带状组织，该组织对材料的力学性能造成不利的影响。

（2）采用径向十字镦拔＋轴向拔长和镦粗的锻造工艺可以使马氏体时效钢锻件中的带状组织基本碎化，为高温均匀化处理彻底消除带状组织奠定了良好的组织基础。

（3）通过适当的热处理优化制度（1050℃ ×2ｈ）可使材料的带状组织基本碎化或消除、使组织和成分细小均匀，有效地改善了材料的力学性能。

 

来源：Internet

关键词： 马氏体时效钢