在时效马氏体18Ni-9Co-5Mo合金中通过添加钛来改善力学性能

1、前言

强度在2500MPa左右的马氏体时效钢具有很高的耐疲劳冲击性和适当的延展性。可用于温度最高为500℃的各种用途。这类钢是由Ni、Co、Mo、Mn、Ti和少量的C及少许杂质元素组成的。

由于这类钢中的碳含量低,所以这类马氏体时效钢的马氏体组织强度要比碳含量高的马氏体钢的马氏体组织强度要低。但是,可通过时效处理来改善它们的硬度和强度。Decker报道称,对这类钢种进行时效处理会在马氏体组织内形成非常小的纳米级共格性析出物,使合金的强度和硬度增加。报道最多的析出物是Ni3T、Fe2Mo和NiMn。

本研究采用的C300马氏体时效钢为含钴马氏体时效钢,强度为2068MPa。这种钢的典型化学成分和力学性能见表1和表2。值得一提的是,当需要生产显微组织均匀,强度和韧性高的优质钢时,采用的是真空电弧重熔(VAR)工艺。由于在该工艺中采用的是金属模型,所以真空电弧重熔工艺通常产生方向性凝固组织。而且,因为工艺是在电弧高温下进行的,所以夹杂通常均破碎。在工艺完成后,破碎的夹杂物可更加均匀地分散到基体中。另外,通过在高真空条件下电弧的作用,可能使一些夹杂物产生化学碎解。

因此,当使用高真空电弧重熔工艺时,有些溶剂原子气体和夹杂物分解产生的气体就会从钢水中释放出来。

2、试验程序

使用电解铁、电解锰、铬、纯镍丸、纯钨棒、钼铁和钛铁球团在氩气保护感应熔炼炉(AIM)内制备了三根重量为6kg的C300马氏体时效钢圆柱型钢锭。把从钢锭上切割下的重量为200g的钢棒放入真空电弧重熔炉内的水冷铜模具中,在氩气保护气氛下进行重熔。接着,在抽真空到10-3Pa后,在氩气氛中将重熔的钢棒装入石英管中。在1200℃进行均质处理7.2ks进行热轧,热轧厚度减缩率为60%,然后进行水淬。在温度为820℃的真空炉内进行3.6ks的固溶退火处理后,在室温进行空冷。然后,对固溶退火处理的钢进行拉伸试验、冲击试验和硬度试验。

拉伸试验用的板式试样厚为3mm,宽为6.3mm,长为30mm,是根据标准ASTM E8制备的。拉伸试验是以0.03mm/s的移动速率在Instron 8502型万能拉伸试验机上进行的。夏比冲击试验是在能力为300J的数字化冲击试验机上进行的,吸收能是根据加载时跟踪测量的。试验是按照标准ASTMA370在3×10×55mm试样上进行的。图1所示为本研究所使用的拉伸试验和冲击试验试样的尺寸。硬度是使用维氏硬度法加载294N测量的。拉伸、硬度和冲击试验所产生的数据都是从四个测试试样上采集的。

所有试验是在室温条件下进行。试样的力学性能是在纵向上测量的。最后,所有试样在500℃进行为时10.8ks的时效处理。时效后试样紧接着在温度保持在25℃的水中进行淬火。

表3所示为采用光量子测量计确定的,钢试样在进行VAR工艺前后的平均化学成分。所有元素的测量误差都在平均成分的0.10~0.35范围之内。三根铸造圆柱型钢锭的平均Ti含量分别为1、1.2、1.5、1.7和2wt%。熔炼和生产棒材所用VAR炉的参数见表4。

在抛光后,利用光学显微镜进行检查,计算夹杂物的体积分数。放大400倍来计算夹杂。为了计算夹杂的体积分数,放大时至少使用了60个放大视场。

3、结果

3.1 添加Ti对力学性能的影响

图2(a)和图2(b)为对不同Ti含量的试样进行拉伸试验的结果,这些图分别给出了不同Ti含量时的屈服强度和极限抗拉强度。当试样的Ti含量达到1.5wt%时,屈服强度和极限抗拉强度均有明显的提高。然而,当试样的Ti含量为1.7wt%和2wt%时,屈服强度和抗拉极限强度仅稍微有所增加。图2(c)为不同Ti含量时的硬度变化,它与图2(a)和图2(b)所示的屈服强度和极限抗拉强度变化类似。图2(d)和图2(e)分别所示为拉伸试验中所获得的断面收缩率和伸长率与不同Ti含量之间的关系。

在钛含量为1.5wt%时,延展性明显降低,随后,在钛含量为1.7wt%和2wt%时,延展性降低减缓。夏比V形缺口实验(C.V.N.)的结果见图2(f)所示,该图所示为试样的吸收能与钛含量之间的曲线关系。试样的钛含量为1.5wt%时,发现吸收能有明显的下降,随后,在钛含量为1.7和2wt%时,吸收能下降减缓。有意思的是在钛含量大于1.5wt%后,拉伸塑性和冲击能达到稳定。

3.2 钛含量对夹杂物体积分数的影响

据观察,各根圆柱型钢锭中的夹杂物平均体积百分比等于夹杂物的平均面积分数。随着钛含量的增加,夹杂物的大小和分布增加(图3)。在计算不同钛含量试样中的夹杂物体积百分比后,发现钛含量与夹杂物体积分数之间的关系是线性的,与夹杂物种类无关(见图4)。

4、讨论

在这类型钢中添加钛会形成小颗粒析出物,反过来这些析出物使基体阻止位错移动的能力增加,因此使强度和硬度增加。Sinha等人和Vasudevan等人也进行过类似的试验,他们认为,这种钢中的小颗粒Ni3Ti析出物是随着钢中Ti含量的增加而发展起来的。Ni3Ti析出物颗粒的大小通常小于30nm。另外,钛与氧和氮的亲合力很强。

增加钛含量会使熔炼温度下的平衡转为从钢水中吸收氮和氧。因此,夹杂物的面积分数增加。当钛含量增加时,基体中的Ni含量并不同时增加。因此形成Ni3Ti析出物的速率降低。有人断言时效马氏体钢的强度有60%是由于其析出物造成的。所以,继续增加Ti会导致强度和硬度的增加速率下降,同时造成强度和硬度的增加。钛含量在1.5wt%以下时硬度和强度下降速率和钛含量大于1.5wt%时硬度和强度明显的下降速率降低就说明了这一点(图2(a)、(b)、(d)和2(e))。

关于所报道的Ni3Ti析出物的形成,上一节所给出的结果表明,在钛含量最多为1.5wt%时,Ni3Ti析出物的形成速率高于夹杂物的形成速率。另外,当钛含量超过1.5wt%时,Ni3Ti析出物的形成速率小于夹杂物的形成速率。由于钢的强度随着钛含量的增加而增加,所以增加Ti会导致断面收缩率、伸长率和冲击能下降,而当钛的含量超过1.5wt%时,这些参数的减少率下降。最后,有些文献已报道过钛对时效马氏体钢的力学性能的影响,但是,在本研究与其他文献之间有一个重要的区别。

至此人们还未研究过钛含量大于1wt%对力学性能的影响。在马氏体时效钢中钛含量低于1wt%时,力学性能与钛含量之间的关系是线性的,然而,在钛含量大于1wt%时,关系不是线性的。

5、结论

1)在钢中添加1%~2%钛对力学性能的影响取决于准确的钛含量。当钛含量超过1.5wt%时,速率明显降低。

2)由此看来要最大限度地改进C300时效马氏体钢的力学性能,如强度、硬度、冲击能和延展性,添加钛的上限是1.5wt%。

来源:《不锈》杂志

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