马氏体时效钢

1、马氏体时效钢的研究现状与应用进展摘要：马氏体时效钢是钢中强度最高的钢类，具具有高韧性、良好的焊接性、冷 热加工性和耐应力腐蚀性。本文详细介绍了马氏体时效钢的力学性能、焊接性能 和腐蚀性能等性能，以及热处理、成分配比、加工工艺对这些性能的影响，并介 绍了国内外对其研究的近况。最后，介绍了马氏体时效钢的应用概况，并提出其 今后的发展方向。关键词：马氏体时效钢；机械性能；发展；应用，趋势Research Status and Applications of Maraging SteelsAbstract: Maraging steels has the best intensity in the w

2、hole steels with well toughness, good welding property, mechanical working properties and stress corrosion resistance. Research and applications of maraging steels were introduced in many respects, especially the mechanical properties such as the mechanical properties, welding properties and corrosi

3、on properties. The influences of heat treatment, ratio of constituents and processing technology to the properties were discussed. Finally, the applications and further development direction were put forward. Keywords: maraging steel; mechanical properties; develop; application,tendency一、概述马氏体时效钢是国际

4、锲公司（INCO于60年代初研制的，它是在超低碳铁锲 马氏体基体上利用合金元素产生时效强化的一种超高强度钢。马氏体时效钢具有 强度高、韧性好、热处理简单、焊接性能好及良好的冷热加工性能，因而被广泛 地应用于工业、军事等各种领域。进入 80年代以来，无钻马氏体时效钢的研发大 大降低了马氏体时效钢的成本。同时，其性能也有了进一步的提高。马氏体时效钢的热处理是通过Co, Mo Ti等强化合金元素（表1列出了几种典型的18Ni马氏体时效钢的成分）在回火或时效时从过饱和固溶体（马氏体）中析 出合金化合物作为第二相质点来实现强韧化，马氏体时效钢的显著特点是在超高 强度下仍具有良好的塑性和优异的断裂韧性；同

5、时它还具有优良的加工性能和焊 接性能。这些优良的特性使马氏体时效钢可以取代传统的高强度钢，广泛用于许多领域中。表1几种典型的18Ni马氏体时效钢化学单位： （质量分数）钢种CNiCoMoTiAl18Ni(200 )1<0.0317.518.58.0 9.03.0 3.50.150.250.050.1518Ni(250 )1<0.0317.518.58.5 9.54.6 5.20.300.500.050.1518Ni(300 )1<0.03 |17.518.58.0 9.04.6 5.20.550.800.050.1518Ni(350<0.0l17.518.512.013

6、.04.0 4.51.4 1.80.050.15二、马氏体时效钢发展简史具有工业应用价值的马氏体时效钢，是20世纪60年代初由国际锲公司(INCO) 首先开发出来的。19611962年间该公司B0.F0.Decker等人，在铁锲马氏体合金 中加入不同含量的钻、钥、钛，通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、1700、1900MPa 的 18Ni(200)、18Ni(250)和 18Ni(300)钢，并首先将 18Ni(200)和 18Ni(250) 应用于火箭发动机壳体。这类钢种的出现，立即引起了各国冶金工作者的高度重 视。60年代的中、后期是马氏体时效钢研究和开发的黄金时代。这期间，国际锲

7、 公司和锐合金钢公司(VasCo)又研制出了屈服强度达到 2400MPa的18Ni(350)。研 究工作者们还对马氏体时效钢的加工工艺、各种性能和强韧化机理进行了大量工 作，同时还探索了屈服强度高达 2800和3500MPa的所谓400级和500级马氏体 时效钢。不过这两个级别的钢种由于韧性太低，而且生产工艺过于复杂，没有得 到实际应用。在此期间，马氏体时效钢在工模具领域也有了一定市场。与此同时，前苏联和联邦德国等国也开始了马氏体时效钢的研究。到了 70年代，日本因开 发浓缩铀离心机，对马氏体时效钢进行了系统、深入的研究。进入80年代以来，由于钻价不断上涨，无钻马氏体时效钢的开发取得了很大进展

8、，如美国的T 一250(18Ni 一 3Mo 一 10.4Ti0.1A1)、日本的 14Ni 一 3Cr 3Mo 10.5Ti 合金、 韩国的 w 250(18Ni - 40.5w 10.4Ti0.1A1)和前苏联的 H1616M6(16Ni 一 6V - 6Mo)均相继问世。这些钢不仅使生产成本降低了20%30% ,而且性能也十分接近相应强度水平的含钻马氏体时效钢。为改善马氏体时效钢的耐腐蚀性能，在 20世纪60年代后期又开发了马氏体 时效不锈钢，它具有马氏体时效钢的全部优势，又具备马氏体时效钢所不具备的 耐蚀性，同时还对沉淀硬化型不锈钢的某些性能进行了改进，因此用马氏体时效 不锈钢逐步代替

9、沉淀硬化型不锈钢是超高强度不锈钢一个重要的发展方向，是超 高强度不锈钢最有潜力的钢种。中国的发展中国从20世纪60年代中期就开始研制马氏体时效钢。最初以仿制18Ni(250) 和18Ni(300)为主。到70年代中期又开始研究强度级别更高的钢种和无钻或节锲 钻马氏体时效钢，还开发出用于高速旋转体的超高纯、高强高韧的马氏体时效钢 (cM 1钢)，研制出高弹性的马氏体时效钢(TM210等)和低锲无钻马氏体时效钢 (12Ni 3Mn3MoTiAlV)。三、马氏体时效钢的性能特点3.1 高强韧性和强疲劳强度马氏体时效钢是钢中强度最高的钢类。具强度虽高，但比同强度级的其它种 超高强度钢的韧性都高，是现有

10、材料中具有最高强韧性的钢种。马氏体时效钢的抗拉强度远远高于一般传统钢种，具抗拉强度在1000Mpa至2500Mpa范围内，并随加工参数的变化而有所不同。这些钢的断裂韧性很高，在 90200Mpa/m范围内。马氏体时效钢的疲劳性能极好，其疲劳强度值可与其它高强度钢的相媲美。 通过喷丸韧化处理和氮化处理，还可进一步提高马氏体时效钢的疲劳强度。表 2 是 标准18Ni马氏体时效钢的典型力学性能。表2典型18Ni马氏体时效钢的典型力学性能钢种热处理工艺Rm/MpaRel/MpA/%Z/%Kc/Mpa.m"2a18Ni(2148014309.051.0155 20000)18Ni(217851

11、72512.0 |50.012050)820c固溶，18Ni(3480 C时效厂2050197012.0 厂35.08000) l18Ni(3j2410235512.0 |25.035 5050)3.2 热处理工艺简单通常，马氏体时效钢是按其截面尺寸每 25m褓温1h计算的时间于820c固溶 退火的。退火处理后的冷却速度对于钢的显微组织和性能几乎没有影响。但是， 在时效处理之前，马氏体时效钢必须冷却到室温。 通常在480c经3至6h时效热处 理。对Fe-Ni合金来说，当Ni含量高时，在通常的冷却速度下，由奥氏体只生 成马氏体（18Ni的Ms点约290C），但这种情况的马氏体转变不受冷却速度的影

12、 响。因此，在马氏体时效钢中不会出现像淬火回火钢中常出现的淬透性问题，认 为奥氏体马氏体的转变是可逆的，这是Fe- Ni合金的基本特征。所以这也是马氏体时效钢热处理非常简单的主要因素。马氏体时效钢一般是以固溶处理状态交货，用户进行机加工后进行时效处理而直 接采用的。伴随时效处理尺寸变化非常小（18Ni 170级为0.060.07%的收缩）, 因此，完全可省略最终的冷加工。3.3 焊接性能好，焊接时不需要预热优良的焊接性是马氏体时效钢的重要优点之一，惰性气体保护焊是它最常用 的焊接方法。马氏体时效钢的焊接性能与以往的马氏体超高强度钢不同，无需预 热和后热，也不用担心焊接裂纹。不仅具有好的焊接性能

13、，由于热影响区的硬化 也小，焊后的时效温度低，制品的尺寸变化小，因此是很好用的材料。马氏体时 效钢，由于含有易与氧、氮结合的 Ti、Al元素，焊接时希望采用这些元素的烧 损尽量小的焊接方法，可以用 TIG法、MIG法、电子束焊接法，在惰性气体保护 粘合液的激光焊接。3.4 良好的冷、热加工性能热加工较容易，加工性与 SU30次体相同。对于马氏体时效钢可以采取最常 用的热加工技术，如锻造、轧制等。含钛较高的钢种，需要采取较高的热加工负 载和较高的加工温度，但不宜在1260c以上的温度加工。Ti和Mo含量较高的钢 种，在加工时容易形成这些合金元素的显微偏析，只有通过调整钢锭的尺寸和热 加工制度，才

14、能避免这种显微偏析。冷加工性能非常好，拉拔，冷轧，弯曲，深冲加工都非常容易。加工过程中 无需软化退火即可进行90麻上的加工。具加工硬化指数为 0.020.03,与普通 钢相比降低一个数量级。随之冷加工率的增加，强度提高，但延伸率及韧性仅稍有降低。因此，冷加工是一种有效的强化手段。冷变形后直接时效，强度明显提 高，而韧性下降不多。任何传统的加工工艺都可以用于固溶退火状态的这类钢的 冷加工。这类钢具有很低的加工硬化速率，可以承受很大的压缩量，具硬度仅稍 有提高。马氏体时效钢的应变硬化指数和拉伸率都比较小。因此，其冷成形加工 量取决于在产生缩颈之前的均匀拉伸应变（例如深冲加工），通常只限于中等程度的

15、变形。通过过时效处理，可以大大改善钢的均匀延伸。对于大变形量的冷加 工组织，可以通过在高于815c的温度下奥氏体化热处理来软化。大变形量预冷 加工会降低直接时效处理后的韧性；在单向加工组织中可能存在显著的弹性模量 和韧性的各向异性。3.5 在相同强度下，与其它钢种相比，耐应力腐蚀性能好Fe-Ni低碳马氏体能抵制流动海水的应力腐蚀，与淬火，回火钢相比，马氏 体时效钢显示出优越的抗应力腐蚀性能。马氏体时效钢在大气中的腐蚀约每年 0.01250.025mm,是普通合金钢的一半，在腐蚀性溶液中耐蚀性也比低合金钢 稍好些。因此，在腐蚀水环境下使用必须进行表面保护。马氏体时效钢较之高强度低合金钢具有更好的

16、耐蚀性能。在工业大气中和在 海洋大气中，马氏体时效钢的腐蚀速率大约为普通钢的一半左右。在静止的和流 动的海水中，马氏体时效钢和普通钢大致具有同等的腐蚀速率。马氏体时效钢在 含盐水溶液中和在酸溶液中具有比较好的耐蚀性；而且耐高温氧化性要比低合金 钢好得多。马氏体时效钢在大多数水介质中容易发生应力腐蚀破裂。当屈服强度较低 时，其抗应力腐蚀破裂性能显著提高。能改善韧性的一些处理工艺参数（例如采 取真空熔炼、热加工以及减少钢中杂质含量等）也能够提高钢的抗应力腐蚀破裂 性。涂漆、喷丸硬化等表面处理，均已成功地用来提高钢的抗应力腐蚀性。阴极 保护措施也能有效的提高钢的抗应力腐蚀破裂性，但是必须慎重地使用以

17、免导致 裂纹的渗氢。马氏体时效钢通常可以用于水环境中；但是，像使用所有的高强度 钢一样，也必须注意采取适当措施来避免应力腐蚀破裂。3.6 马氏体时效钢的优越性和不足处概括起来马氏体时效钢有下列优异性能：超高强度（达3500Mpa；至ij 500c还保持高的强度；在退火状态下有好的成 型性；简单、低成本的硬化处理（低温、空气中）；硬化处理时畸变很小；对淬 火裂纹敏感性小；马氏体时效过程不脱碳；马氏体时效过程可以碳氮共渗；即使 在时效状态下也有好的焊接性（不需预热）；钎焊时不降低性能；可用普通方法 冷、热加工。马氏体时效钢也存在下列不足之处：在水环境下对氢脆和应力腐蚀裂纹敏感；时效状态下低的加工硬

18、化率；高的 屈强比；对各种强度水平要求用不同的钢种（单一钢种不能热处理成宽范围的强 度）；成本高；如果不表面处理，耐磨性和疲劳抗力不比普通钢好。四、马氏体时效钢的应用以及发展趋势马氏体时效钢已在包括火箭发动机壳体，导弹壳体，捆绑带，导弹陀螺仪表 内，外挠性接头，铀浓缩用离心分离机的旋转筒，直升飞机起落架，水翼船支柱, 高压容器，扭力转动轴，飞机用高强度齿轮，高强度轴承，高压传感器，紧固件， 弹簧，以及铝合金压件模和挤压模，精密模具等方面获得广泛的应用。具体实例如：马氏体时效钢在时效前就具有高强度和塑性，可以制成火箭与导弹的薄壳，在保持满足应用要求的强度前提下提高有效载荷。马氏体时效钢具有非常稳

19、定的显微组织性能，即使在温度过高而发生过时效后，软化过程也非常缓慢这些合金在适当高的工作温度下保持良好的性能，最高工作温度超过400C o保证火箭或弹头外薄壳在飞行的过程中保持良好的强度。马氏体时效钢适合用作引擎零件如曲柄、轴与齿轮，以及用作自动武器的撞 针。撞针是在相当高的载荷与冲击作用而同时冷热反复交替的环境下工作。由于 均匀膨胀，并且在时效前易切削加工，使得马氏体时效钢可用于装配线上的高磨 损单元以及用作模具制造。而其他超高强度钢，如二次硬化"Aermet”钢，由于基体内的碳化物颗粒一直呈弥散分布，因此很难加工处理。在击剑运动中，由国际击剑协会或 FIE主办的竞赛中使用的剑刃通

20、常由马氏体时 效钢制作而成。马氏体时效钢剑刃要求是金属薄片的形式，因为裂纹在马氏体时 效钢中的扩展速率比在碳钢中慢 10倍。这降低了剑刃的破损，给人的伤害机会 更少。这类剑刃设计成平齐折断，这样就会“帮对手一个大忙”。马氏体时效钢越来越多地用在体育行业。英国与美国的雷诺自行车已经采用 新型不锈马氏体时效钢钢管制造自行车车架。不锈马氏体时效钢用于制作高尔夫 球杆球头、外科手术器械以及皮下注射器等。该钢种不适合用作解剖刀刃，因为 钢中几乎不含碳，做不成锋利的刀刃。一些国家在马氏体时效钢的生产、进出口方面受到国际社会的密切监控。马 氏体时效钢用于制造铀浓缩用气体离心分离机，这利用了该钢种的极高强度、

21、良 好的加工性能以及优异的尺寸稳定性等特点，很少有其它材料能胜任这一用途。五、结语马氏体时效钢自发明以来，由于其高韧性高强性和特殊性能，各国对其进行 了大力开发和研制。而马氏体时效不锈钢是在马氏体时效钢基础上发展起来的超 高强度不锈钢它具有马氏体时效钢全部优点并且具有良好的耐腐蚀性能，更受到 人们的青睐，正在发展成为新一代不锈钢和超高强度钢中的新兴宠儿。为了使马氏体时效钢得到广泛的应用，特别是在冷变形量很大的旋压薄壁零 件的生产、应用中，应深入研究其固溶、时效工艺及强化机理；进行马氏体时效钢循环相变处理工艺及影响因素的研究，探索进一步提高其强韧性的途径， 为开发性能更好的新型马氏体时效钢奠定理论基础。六、参考文献