朱 磊

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089）

為提高鋼材性能，一般采用熱處理工藝改善鋼材性能。長期以來鋼材熱處理工藝為熱淬火，該過程需要將鋼材加熱到一定溫度，然后冷卻，這樣造成大量能源損失。隨著能源日益枯竭，針對熱淬火問題，開發(fā)了加速冷卻的熱機械控制工藝。加速冷卻工藝與傳統(tǒng)冷卻工藝相比優(yōu)點是降低能耗、提高鋼的強韌性。自上世紀40年，為滿足航空工業(yè)發(fā)展，研發(fā)了多款沉淀硬化不銹鋼，該鋼體可提高飛機使用壽命、縮短維修期以及降低飛機制造成本。隨后又研發(fā)了半奧氏體沉淀硬化不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼、奧氏體沉淀硬化不銹鋼、馬氏體時效不銹鋼。沉淀硬化不銹鋼中冷卻速度直接影響其性能，本文綜合分析當前國內(nèi)外冷卻速率對沉淀硬化不銹鋼性能影響研究，為沉淀硬化不銹鋼性能研究提高幫助。

1 原理分析

沉淀硬化不銹鋼是指基體為奧氏體或馬氏體組織，通過時效硬化處理后得到的不銹鋼。沉淀硬化不銹鋼由于溶質(zhì)原子在奧氏體中固溶度高于低溫下固溶度，可采用冷卻速度控制方式進行奧氏體與馬氏體相變轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)更多的過飽和度。沉淀硬化受到沉淀相尺寸、空間分析、特征等影響，可通過控制材料成分、時效工藝進行控制，其中時效控制可通過冷卻速度進行控制。

1.1 強化機理

強化機理主要包括固溶強化、相變強化、應(yīng)變時效強化、沉淀強化、細晶強化、加工硬化[2]。

（1）固溶強化是指在正常的晶格中加入飽和的間隙原子造成晶格發(fā)生變形，從而形成應(yīng)力場，這樣提高材料的強度和硬度。常見的固溶體有C、N、Nb、Si 元素。

（2）相變強化是指將強度較弱的相轉(zhuǎn)化為高強度馬氏體，并在晶體內(nèi)構(gòu)成缺陷組織位錯運動，以達到提高鋼的強度和硬度。通過高溫淬火，鋼從奧氏體轉(zhuǎn)化成淬火馬氏體。沉淀硬化性不銹鋼處理便是利用了相變強化。

（3）應(yīng)變時效強化是指不銹鋼經(jīng)加工后，使用低溫回火工藝增強強度方法。核心原理是將C 原子與其它合金原子發(fā)生位錯、擴縮，最終造成馬氏體效應(yīng)。通常應(yīng)變時效與應(yīng)變量成正比。硬化結(jié)果與溫度、時間有關(guān)。在實際操作中可使用穩(wěn)定奧氏體進行冷加工，從而提高硬化效果。

（4）沉淀強化是指不銹鋼經(jīng)固溶處理后，已有相增加了第二相從而提高了鋼強度。目前常見的沉淀硬化不銹鋼主要有奧氏體、馬氏體。由于沉淀強化處理是與金屬間化合物共格，從而提高了材料強度，該方法容易實現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（5）細晶強化是指細化晶粒，通過理論公式Nalyer 等進行板條細化。

（6）加工硬化是指通過熱處理工藝讓不銹鋼中相變發(fā)生改變。

1.2 冷卻速度對強化機理的影響

文獻[3]分析了冷卻速度對強化機理影響，指出固溶處理時，由于第二相中質(zhì)點持續(xù)溶解在基體中，經(jīng)過一段時間固溶相完全溶解，形成飽和固溶體。當溫度降低后，第二相從基體中析出，如果冷卻速度過快，則第二相不容易析出，原子擴散激活能比較高，人工時效的第二相數(shù)量更多，強化效果則更明顯。

2 冷卻速率對對不銹鋼組織影響

不銹鋼中組織關(guān)系到材料性能。文獻[4]采用數(shù)學模型研究了冷卻速率對鐵素體- 珠光體帶狀組織影響。所設(shè)計的模型算法見圖1 所示。

圖1 組織模型預(yù)測算法

結(jié)果表明Ar3 溫度差異是帶狀組織產(chǎn)生必要條件，同時冷卻速率增加會增加貧溶質(zhì)去和富溶質(zhì)區(qū)Ar3 溫度變化；所設(shè)計的算法能夠準確模擬帶狀組織影響機制。文獻[5] 采用金相分析、掃描電鏡、XRD 衍射以及硬度等表征手段不同冷卻速率對含B鋼汽車板組織影響。結(jié)果表明隨著冷卻速率不斷增加含B 鋼熱處理組織往帶狀珠光體發(fā)展；當開爐后往板條狀貝氏體發(fā)展；在風冷條件下形成馬氏體；在油冷和水冷條件下得到板條馬氏體。文獻[6] 中借助OM 像，得到隨著冷卻速率從1℃/s 增加到20℃/s 時，鐵素體晶粒尺寸逐漸減少，組織明細化；當冷卻速率由20℃/s 增加到30℃/s，鐵素體平均晶粒度未見明顯變化。張敏[7]采用掃描電鏡、X 衍射儀、金相等表征手段研究了時效溫度對沉淀硬化不銹鋼FV520(B) 組織影響，結(jié)果表明溫度在470℃時組織中的細小富銅相能提升材料硬度，溫度在600℃時沖擊韌性最佳。陳煒[8]借助掃描電鏡、X 衍射儀研究了時效工藝對17-4PH 沉淀硬化不銹鋼奧氏體影響。結(jié)果表明620℃下固溶處理冷卻速率比630℃下固溶處理冷卻速率對鋼中奧氏體影響大。

3 冷卻速率對沉淀硬化不銹鋼鋼性能的影響

（1）對沉淀硬化不銹鋼力學性能影響。冷卻速率不同直接影響到材料組織變化。文獻[3]中研究了鋼坯淬火的臨界冷卻速率與硬度的關(guān)系。研究結(jié)果表明鋼的過冷奧氏體動力學統(tǒng)計表明臨界冷卻速率與碳含量之間存在關(guān)系為：

式中：lgV 表示組織（馬氏體、貝氏體、珠光體、鐵素體）等臨界冷卻速率對數(shù)數(shù)值；t 表示常數(shù)；C、B、D 等表示鋼中元素含量；i∏表示奧氏體參數(shù)。

鋼經(jīng)奧氏體化后硬度得到改善，化學成分與組織關(guān)系可用如表1 所示。

表1 鋼中組織與硬度關(guān)系

文獻[9]研究了冷卻速率對45MnV非調(diào)質(zhì)鋼硬度影響。結(jié)果表明使用無鍛造加工時油冷硬度值最高，但是產(chǎn)生了馬氏體組織，實際應(yīng)用價值不高；有鍛造加工時冷卻速率增加硬度增加，未出現(xiàn)突變情況，造成硬度增加原因是鍛后晶粒細化。文獻研究了冷卻速率對42CrMoA 鋼硬度影響。結(jié)果表明當冷區(qū)速率在0.2℃/s~0.6℃/s 時貝氏體含量增加；當冷卻速率在0.7℃/s~17.0℃/s 馬氏體含量增加，當過冷奧氏體冷卻速率增加時，材料硬度增加。文獻[11]研究了正火冷卻速率對18CrNiM07-6齒輪鋼硬度影響。結(jié)果表明18CrNiM07-6 鋼連續(xù)冷卻后得到高硬度貝氏體。在溫度870℃~900℃下保溫1h，640℃~660℃下保溫4h，冷卻到300℃，空冷得到鐵素體+貝氏體+珠光體組織，硬度在340~35之間；在溫度870℃~900℃下保溫1h，以30℃/h速率在640℃~660℃下保溫，冷卻到300℃，空冷得到鐵素體+珠光體，硬度值在190~210。文獻利用OM、EBSD、硬度計等檢測技術(shù)研究了Ti-V-Mo 復(fù)合微合金鋼硬度變化。結(jié)果表明冷卻速率從1℃/s 到30℃/s，硬度值成增加趨勢，隨著冷卻速率增加硬度值增長趨勢降低，當冷卻濕度低于10℃/s 時，隨著冷卻速率增加硬度值增加；冷卻速率為10℃/s~20℃/s, 隨著冷卻速率增加硬度值緩慢增長；冷卻速率20℃/s~30℃/s，硬度值保持不變?yōu)?10HV。此外建立了冷卻速率對硬度的影響關(guān)系為：

文獻研究了淬火鋼冷卻速率與硬度分布的預(yù)測模型。結(jié)果表明使用梅尼爾模型進行300多種鋼數(shù)據(jù)回歸與有限元模擬計算冷卻速率計算結(jié)果一致，表明使用有限元方法能夠?qū)崿F(xiàn)淬火鋼冷卻速率與硬度分布預(yù)測。文獻[13]建立了剛強度熱成型鋼板冷卻速率- 強度- 硬度模型。該模型采用量綱分析方法，目標函數(shù)為：，（H 表示硬度、V 表示速率，E 表示楊氏模量，δ 表示抗拉強度）。強度硬度指標算法流程見圖2所示。

圖2 強度硬度指標算法流程圖

郭燕飛使用中頻感應(yīng)爐制備了0Gr15Ni5WMoVNb 鋼，使用X 衍射儀分析了不同溫度下時效試樣的相組成。研究結(jié)果表明450℃時抗拉強度和屈服強度為最大值，借助SEM 技術(shù)得到時效峰的出現(xiàn)與M2C 析出彌散強化有關(guān)。李國明研究了時效溫度對新型馬氏體沉淀硬化不銹鋼力學性能影響。研究結(jié)果表明時效溫度升高，屈服強度出現(xiàn)下降趨勢，實驗數(shù)據(jù)表明當溫度為500℃時屈服強度為1150MPa, 溫度在650℃時屈服強度為550MPa。硬度方面時效溫度對材料的硬度成隨著溫度升高硬度升高，當時效溫度為500℃是硬度值最大為40HRC。通借助金相顯微鏡、掃描電鏡等手段得到時效溫度升高，板條馬氏體組織基體上出現(xiàn)細小的銅的沉淀硬化相，500℃后沉淀相晶粒變大，對位錯有影響，導(dǎo)致硬度和強度性能下降。時效處理能夠消除馬氏體沉淀硬化中應(yīng)力，實現(xiàn)強化目的。白青青研究了06Cr15Ni5Cu2Ti 鋼的沉淀硬化。將試樣放置到馬弗爐內(nèi)1000℃固溶處理，采用空冷方式冷卻，利用金相顯微鏡、掃描電鏡、XRD 衍射儀對組織、斷口、奧氏體含量金相測定。研究結(jié)果表明時效溫度在425℃~450℃時，力學性能與溫度成增長關(guān)系。使用SEM 進行微觀組織分析，結(jié)果表明在425℃~650℃有回火馬氏體產(chǎn)生，隨著溫度升高，馬氏體板條狀變粗，奧氏體數(shù)量增加，從而提升鋼的強韌性。劉春燕針對17-4PH 鋼產(chǎn)品熱處理后力學性能不穩(wěn)定問題，提出采用沉淀硬化技術(shù)進行性能改進。研究結(jié)果表明經(jīng)時效工藝后，在480℃~620℃下發(fā)生馬氏體回火，有沉淀相析出。隨著溫度的增加沉淀相聚集，強度出現(xiàn)降低、塑性提升，所制備的鋼材滿足生產(chǎn)需求。李科欣詳細研究了含鈷馬氏體時效硬化不銹鋼，采用金相顯微鏡、透射電鏡、X 衍射儀等表征手段研究了不同時效溫度(440℃~520℃) 處理后性能，結(jié)果表明，隨著時效溫度升高，馬氏體板條變寬，金屬材料強度、硬度成先升高后降低趨勢。杜濤[18]研究了時效溫度對17-4PH 沉淀硬化不銹鋼硬化效果影響。結(jié)果表明時效溫度升高使得ε-Cu 顆粒粗大，當時效溫度為480℃時材料硬度明細增加。張湛[19]研究了時效溫度對PH13-8Mo 不銹鋼力學性能影響。結(jié)果表明在510℃下材料硬度和強度最高，在510℃~620℃下隨著時效溫度增加硬度和強度出現(xiàn)下降。

3.2 對沉淀硬化不銹鋼耐腐蝕性能影響

李國明[14]借助電位儀進行了氯離子腐蝕行為研究。結(jié)果表明氯離子環(huán)境沉淀硬化不銹鋼耐腐蝕性降低，這是由于沉淀硬化過程中會有好靚的Mo 的碳化物析出，造成合金中的Mo 含量較少。AM355 是一種半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，由于時效作用會導(dǎo)致含Cr、Mo、N 析出，使得基體組織整體耐腐蝕性降低。為解決這一問題，高韓蓉[20]研究了溫度對AM355 高強不銹鋼耐腐蝕性。采用電位儀、X 衍射儀、掃描電鏡分析了AM355 在3.5%（質(zhì)量分數(shù)）NaCl 溶液中的點蝕行為。結(jié)果表明時效時間為4h，時效溫度為350℃下AM355 點腐蝕最高。當時效溫度升高到625℃時，材料中的殘余奧氏體含量增加，從而提高了不銹鋼耐腐蝕性。

4 結(jié)語

冷卻速率對不銹鋼性能有重要影響。目前冷卻速率對不銹鋼影響研究主要通過掃描電鏡、金相分析、硬度、XRD 衍射等技術(shù)進行表征，對微觀機理進行了研究，成果豐富。然而關(guān)于理論方面研究較少，通過文獻分析只有少量的文獻進行冷卻速率對硬度、組織進行了理論研究，而關(guān)于力學性能影響理論模型建立非常少，這是未來發(fā)展趨勢。