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采用金相顯微鏡、掃描電鏡、洛氏硬度計(jì)、沖擊試驗(yàn)，觀察和分析了7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在990～1110℃淬火+180～220℃回火的組織和性能變化。結(jié)果表明：淬火組織為殘留奧氏體和碳化物分布于馬氏體基體上。隨淬火溫度的升高，殘留奧氏體含量和馬氏體過飽和度增加，針狀馬氏體組織變粗，1080℃淬火硬度升高到最大值62.5HRC。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：隨回火溫度逐漸升高，試樣硬度有部分下降，但韌性顯著提高，200～220℃時(shí)韌性最佳，達(dá)到19J/cm2。綜合硬度和韌性考慮，最佳熱處理工藝為1080℃淬火+200～220℃回火。鹽霧試驗(yàn)表明：1080℃淬火+200℃回火后腐蝕率小于4%，符合使用要求。

不銹鋼作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于餐具、醫(yī)學(xué)用具、試驗(yàn)用具、裝飾品等。近百年的發(fā)展使得不銹鋼可提供各種特殊性能，滿足不同的服役條件和生產(chǎn)制造的要求。不銹鋼按照組織狀態(tài)可分為馬氏體型不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼，其均具有良好的耐蝕性，可在腐蝕介質(zhì)中保持良好的力學(xué)性能。

不銹鋼中發(fā)展最早的就是馬氏體不銹鋼，按成分可分為Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni(200系列)及析出硬化系(600系列)。7Cr17馬氏體不銹鋼因含碳量較高，可以在熱處理以后達(dá)到較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和沖擊韌度，用于力學(xué)性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥等。其中高Cr含量(11.5%～18%)是不銹鋼耐腐蝕的重要原因，加入約1%Mo及0.1%V，可以增加7Cr17鋼的耐磨性及耐蝕性，從而形成應(yīng)用相當(dāng)廣泛的馬氏體不銹鋼7Cr17MoV，這類鋼是在淬火、回火后使用的。與其類似的鋼種有美國(guó)ASTM440A和日本SUS440A，主要用于制作高硬度、高耐磨性的中高檔刀剪產(chǎn)品和醫(yī)療器械。鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)此類鋼的熱處理研究較少，為充分發(fā)揮7Cr17MoV馬氏體不銹鋼的特性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，本文研究了熱處理工藝參數(shù)對(duì)7Cr17MoV硬度、沖擊韌度及組織性能的影響，為生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)[2]。

1試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)用原材料為厚10mm的7Cr17MoV馬氏體不銹鋼鋼板，其化學(xué)成分見表1。供貨狀態(tài)為750℃退火態(tài)，初始組織為鐵素體+球狀合金碳化物，硬度為220HB(約17HRC)。

用線切割機(jī)將不銹鋼板切割成55mm×10mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)V型夏比沖擊試樣48個(gè)，試樣分成兩組，A組為空白試樣(3個(gè)試樣，編號(hào)01#)；B組為熱處理試樣(45個(gè)試樣，編號(hào)分別為02#～16#)。

本文主要研究馬氏體不銹鋼的硬度、韌性和耐腐蝕性等性能。硬度測(cè)試使用HR-150A洛氏硬度計(jì)，加載砝碼150kg，每個(gè)測(cè)5次，舍棄最大值和最小值，取余下3次的平均值作為最終結(jié)果。V型缺口沖擊試驗(yàn)在室溫下利用JB-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，3次重復(fù)性試驗(yàn)取試驗(yàn)平均值作為最終結(jié)果。鹽霧試驗(yàn)采用5%的NaCl溶液模擬大氣腐蝕。金相試驗(yàn)采用DMIE200M金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。斷口形貌采用ZeissEVOMA15掃描電鏡觀察，并采用OxfordInstrument能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析。

1.2試驗(yàn)方法

(1)首先將A組試樣作為空白試樣，分別進(jìn)行硬度、沖擊韌度測(cè)試以及鹽霧試驗(yàn)測(cè)試。

(2)將B組進(jìn)行5(淬火)×3(回火)正交熱處理試驗(yàn)。為正確制定鋼的熱處理工藝，參照法國(guó)澎湃旗斯鋼鐵公司提供的T7Mo鋼的熱處理工藝(Air1060℃59～60HRC，回火200℃，56～58HRC)。淬火溫度990～1110℃，間隔30℃，保溫25min，油淬，立即測(cè)試各試樣硬度并記錄。然后進(jìn)行180、200和220℃回火處理，保溫2h，空冷，立即進(jìn)行沖擊硬度測(cè)試和沖擊韌度試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

(3)選取性能兼優(yōu)(硬度和沖擊韌度兼優(yōu))作為B組優(yōu)化工藝試樣Bopt，對(duì)其進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。

(4)分析對(duì)比空白試樣A與Bopt的硬度、沖擊韌度和耐腐蝕性能，利用理論解釋這一性能轉(zhuǎn)變的原因。具體方法有金相試驗(yàn)分析成分、組織及結(jié)構(gòu)；SEM觀察表面形貌并進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1熱處理工藝對(duì)試樣硬度的影響

2.1.1淬火工藝對(duì)試樣硬度的影響

分別對(duì)原始退火態(tài)試樣、990～1110℃淬火后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試記錄，取每大組9個(gè)試樣的平均值作為最終淬火硬度。空白試樣A硬度平均值約17HRC，圖1為不同淬火溫度后試樣硬度變化趨勢(shì)。可知，7Cr17MoV淬火后，隨淬火溫度的升高，其硬度先增加后降低。990～1020℃淬火時(shí)，試樣硬度的變化取決于大量未溶碳化物顆粒的大小、數(shù)量、鐵素體的含量，一些元素如碳、鉻、鉬、釩在組織中的溶解度比較低，在急冷后，存留在馬氏體中的碳及某些合金元素含量偏低，導(dǎo)致淬火硬度不高。隨淬火溫度升高，固溶在鋼中的碳和合金含量開始上升，同時(shí)鋼中馬氏體過飽和度增加，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變后的硬度愈高，淬火硬度愈高，在1080℃左右達(dá)到峰值62.5HRC，說明碳化物顆粒均基本溶解，剩余的均勻分布，已基本奧氏體化，合金化程度高，故硬度比較高。但淬火溫度進(jìn)一步升高時(shí)，組織中含碳量及合金含量過高，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，奧氏體越穩(wěn)定，冷卻轉(zhuǎn)變后殘余奧氏體量增加，淬火硬度反而有所下降。7Cr17MoV中碳、鉻、鉬、釩的增加使鋼的Ms點(diǎn)降低，馬氏體形核減少，也會(huì)導(dǎo)致殘余奧氏體量增加，從而硬度急劇下降至60HRC。

2.1.2回火工藝對(duì)硬度的影響

在180、200和220℃回火處理時(shí)，試樣的硬度隨回火溫度的升高緩慢下降1～5HRC，表現(xiàn)出較好的回火穩(wěn)定性。這是由于7Crl7MoV鋼中含有17%Cr和一定量的鉬和釩等合金元素，且鉻、鉬、釩都是強(qiáng)碳化物形成元素，阻礙了鋼中碳原子的擴(kuò)散，延遲了鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過程，推遲了馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變[4]。1080℃淬火時(shí)不同溫度回火后的硬度見表2。

對(duì)7Cr17MoV進(jìn)一步做300、400、500及600℃高溫回火發(fā)現(xiàn)，低溫回火硬度逐漸降低，幅度不大，300℃回火時(shí)硬度最低為56.3HRC，500℃回火后硬度增大至57.5HRC，隨后又降低，硬度曲線呈馬鞍狀。500℃回火時(shí)硬度增加是由于7Cr17MoV材料中具有較高含量的鉻，同時(shí)含有鉬、釩等合金元素。這些元素屬于強(qiáng)碳化物形成元素，在滲碳體中大量存在。當(dāng)回火溫度到達(dá)一定區(qū)間內(nèi)，這些強(qiáng)碳化物形成元素在滲碳體中聚集到某一濃度后將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成特殊碳化物。與滲碳體相比，這些特殊碳化物的硬度更高，以高度彌散的顆粒存在于基體中，不易聚集長(zhǎng)大，其沉淀硬化導(dǎo)致了材料的硬度升高。但高溫回火會(huì)產(chǎn)生馬氏體的分解與合金碳化物的析出，鋼的組織呈屈氏體組織，防銹性能下降，故7Cr17MoV應(yīng)采用低溫回火來提高韌性并減少硬度損失。

2.2熱處理工藝對(duì)沖擊韌度的影響

沖擊韌度試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，退火態(tài)7Cr17MoV沖擊韌度為15J/cm2，淬火及200℃回火后的沖擊韌度如表3所示。

淬火后，相對(duì)于退火態(tài)母材試樣沖擊韌度急劇減小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最低至7J/cm2，后經(jīng)回火，沖擊韌度又急劇增加至19J/cm2。由表3可知，經(jīng)淬火、回火后，沖擊韌度隨淬火溫度升高先增大，超過1080℃后又減小。退火時(shí)球化處理可以改變碳化物的微觀組織形貌和分布，使組織更加均勻，同時(shí)對(duì)減少淬火加熱中的熱敏型和變形都有較好的作用。

淬火時(shí)，由于較高的淬火溫度，導(dǎo)致淬火后晶粒粗大，油淬急冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，硬度急劇增加，使材料韌性下降至7J/cm2。此外，在淬火冷卻時(shí)，由于較快的冷卻速度，材料會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而會(huì)導(dǎo)致材料的韌性急劇降低。回火的主要目的是降低或者消除應(yīng)力，確保組織穩(wěn)定轉(zhuǎn)變過程，提高鋼的塑性和韌性，獲得硬度、強(qiáng)度、韌性的適當(dāng)搭配。因此，在回火后，材料的韌性得到了大幅度提升，在200～220℃回火提升至19J/cm2。

2.3熱處理對(duì)耐蝕性的影響

鹽霧試驗(yàn)(NSS)是在模擬某些特定的潮濕氣候的環(huán)境下，來考查產(chǎn)品、材料及其防護(hù)層的抗鹽霧腐蝕能力的試驗(yàn)。人工模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn)是在一種具有一定容積空間的試鹽霧試驗(yàn)箱下進(jìn)行。在箱體內(nèi)造成鹽霧環(huán)境對(duì)馬氏體不銹鋼的耐鹽霧腐蝕性能質(zhì)量進(jìn)行考核。其鹽霧環(huán)境下的氯化物的鹽濃度是天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，這使得腐蝕速度大大提高，可大大減少對(duì)兩種材料進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)的時(shí)間，在天然環(huán)境下對(duì)這兩種材料試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)腐蝕要1年的時(shí)間，在人工模擬鹽霧環(huán)境條件下試驗(yàn)就只要24h，兩者得到的結(jié)果很相似。

圖2為7Cr17MoV在1080℃淬火+200℃回火后的腐蝕圖。從圖中及相關(guān)文獻(xiàn)中可知，試樣表面出現(xiàn)了一定數(shù)量的點(diǎn)蝕，沒有出現(xiàn)明顯的氣泡、裂紋等缺陷。對(duì)材料進(jìn)行腐蝕速率的評(píng)級(jí)，是將材料的主要表面劃分成5mm×5mm的小格子，通過觀察材料的被腐蝕處占小格子數(shù)量的百分比來評(píng)級(jí)。根據(jù)腐蝕形貌圖分析得出，7Cr17MoV的腐蝕率小于4%，屬于5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，試樣表面腐蝕坑的尺寸大小和數(shù)量都符合要求。這表明在經(jīng)過此熱處理加工工藝后的耐蝕能力是符合要求的。

2.4熱處理對(duì)材料組織的影響

圖3為7Cr17MoV鋼1080℃淬火及不同溫度回火后的金相組織。

從上面幾個(gè)金相圖及母材狀況中可以看出，這些組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物。7Cr17MoV鋼材在球化退火處理時(shí)，使片層珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w。這種珠光體對(duì)淬火加熱時(shí)奧氏體的形成、滲碳體的溶解、固溶體的碳含量和合金元含量以及奧氏體晶粒的長(zhǎng)大與形成都有影響。材料成分分布的均勻性也是影響工件性能的因素之一。在淬火加熱時(shí)，均勻的球狀珠光體可以得到細(xì)小的奧氏體晶粒。隨加熱溫度的升高，晶粒長(zhǎng)大傾向相對(duì)減少。因?yàn)榻M織中的碳化物晶粒將變得細(xì)小，其分布也均勻化。在奧氏體化時(shí)，這些未溶解碳化物將作為核點(diǎn)，起到形核長(zhǎng)大、細(xì)化組織的作用。隨淬火溫度進(jìn)一步提升，這些球化的滲碳體溶解速度降低，在奧氏體中碳與合金元素含量開始減少，這就導(dǎo)致了淬火后材料的硬度降低。而淬火后得到的組織為板條馬氏體。從馬氏體和奧氏體的相含量隨回火溫度的變化來看，基體組織變化主要是由于殘余奧氏體在不同回火溫度下轉(zhuǎn)變的量不同。同時(shí)，析出相碳化物對(duì)力學(xué)性能有較大影響。對(duì)比幾個(gè)圖得知，隨回火溫度升高，組織中的碳化物晶粒先減小后增大，且在200～220℃回火時(shí)更加細(xì)小，其彌散效應(yīng)保證了組織擁有足夠的硬度和韌性。同時(shí)，組織分布更加均勻，7Cr17MoV這種鋼材的碳含量為0.7%左右，內(nèi)應(yīng)力較小，所以在較低的溫度下回火，就能去除組織的應(yīng)力，改善組織的塑韌性，且保持組織在淬火后的高硬度。

2.5沖擊斷口SEM觀察

圖4為母材及不同溫度淬火+回火處理以后7Cr17MoV的沖擊試樣的斷口形貌。可看到斷口有韌窩和細(xì)小的微孔以及第二相粒子；且可看出斷口呈微孔聚集韌斷形式，斷裂前期，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)在第二相粒子處塞積，由于應(yīng)力集中導(dǎo)致界面分離，形成微孔，微孔連接并長(zhǎng)大最終發(fā)展斷裂，從而形成斷口韌窩狀。沒經(jīng)過淬火+回火處理的母材斷口韌窩很小，且第二相粒子很多，因此導(dǎo)致裂紋源很多，韌性不高。而1080℃淬火的斷口形貌相對(duì)于1010℃淬火的斷口明顯更大更深，由于韌窩是在裂紋形成和擴(kuò)展過程中塑性變形而形成的，故變形越大，吸收的沖擊功越多，因而沖擊韌度越好。

3結(jié)論

(1)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在990～1110℃淬火時(shí)，硬度先增加后減小，且在1080℃出現(xiàn)峰值，最大硬度可達(dá)62.5HRC；沖擊韌度則隨淬火溫度升高逐漸降低，在1100℃淬火后急劇降低至7J/cm2左右。

(2)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在180～220℃回火時(shí)，硬度減小緩慢，呈現(xiàn)出較好的回火穩(wěn)定性；韌性則有較大提升，在200～220℃時(shí)韌性最佳，最高至19J/cm2。

(3)在鹽霧試驗(yàn)后7Cr17MoV馬氏體不銹鋼出現(xiàn)一定數(shù)量的點(diǎn)蝕。根據(jù)腐蝕速率評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，7Cr17MoV的腐蝕率小于4%，屬于5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，符合生產(chǎn)使用要求。

(4)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼合理的熱處理工藝為750℃退火+1080℃淬火+200～220℃回火。