以無(wú)碳(或微碳)馬氏體為基體的，時(shí)效時(shí)能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。與傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼不同，它不用碳而靠金屬間化合物的彌散析出來(lái)強(qiáng)化。這使其具有一些獨(dú)特的性能：高強(qiáng)韌性，低硬化指數(shù)，良好成形性，簡(jiǎn)單的熱處理工藝，時(shí)效時(shí)幾乎不變形，以及很好的焊接性能。因而馬氏體時(shí)效鋼已在需要此種特性的部門(mén)獲得廣泛的應(yīng)用。
簡(jiǎn)史
具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的馬氏體時(shí)效鋼，是20世紀(jì)60年代初由國(guó)際公司(INCO)首先開(kāi)發(fā)出來(lái)的。1961～1962年間該公司B0.F0.Decker等人，在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、、鈦，通過(guò)時(shí)效硬化得到屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)鋼，并首先將18Ni(200)和18Ni(250)應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。這類(lèi)鋼種的出現(xiàn)，立即引起了各國(guó)冶金工作者的高度重視。60年代的中、后期是馬氏體時(shí)效鋼研究和開(kāi)發(fā)的黃金時(shí)代。這期間，國(guó)際鎳公司和釩合金鋼公司(VasCo)又研制出了屈服強(qiáng)度達(dá)到2400MPa的18Ni(350)。研究工作者們還對(duì)馬氏體時(shí)效鋼的加工工藝、各種性能和強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行了大量工作，同時(shí)還探索了屈服強(qiáng)度高達(dá)2800和3500MPa的所謂400級(jí)和500級(jí)馬氏體時(shí)效鋼。不過(guò)這兩個(gè)級(jí)別的鋼種由于韌性太低，而且生產(chǎn)工藝過(guò)于復(fù)雜，沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。在此期間，馬氏體時(shí)效鋼在工模具領(lǐng)域也有了一定市場(chǎng)。與此同時(shí)，蘇聯(lián)和德國(guó)等國(guó)也開(kāi)始了馬氏體時(shí)效鋼的研究。到了70年代，日本因開(kāi)發(fā)濃縮離心機(jī)，對(duì)馬氏體時(shí)效鋼進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。進(jìn)入80年代以來(lái)，由于鈷價(jià)不斷上漲，無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)展，如美國(guó)的T一250(18Ni一3Mo一10.4Ti—0.1A1)、日本的14Ni一3Cr一3Mo一10.5Ti合金、韓國(guó)的w一250(18Ni一40.5w一10.4Ti—0.1A1)和前蘇聯(lián)的H161~6M6(16Ni一6V一6Mo)均相繼問(wèn)世。這些鋼不僅使生產(chǎn)成本降低了20％～30％，而且性能也十分接近相應(yīng)強(qiáng)度水平的含鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼。
中國(guó)的發(fā)展
中國(guó)從20世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始研制馬氏體時(shí)效鋼。最初以仿制18Ni(250)和18Ni(300)為主。到70年代中期又開(kāi)始研究強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種和無(wú)鈷或節(jié)鎳鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼，還開(kāi)發(fā)出用于高速旋轉(zhuǎn)體的超高純、高強(qiáng)高韌的馬氏體時(shí)效鋼(cM一1鋼)，研制出高彈性的馬氏體時(shí)效鋼(TM210等)和低鎳無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼(12Ni一3Mn3Mo—TiAlV)。
成分及作用
由于馬氏體時(shí)效鋼不是靠碳的過(guò)飽和固溶或碳化物沉淀，而是靠某些合金元素在時(shí)效時(shí)產(chǎn)生金屬間化合物析出而強(qiáng)化的，因此，鋼中的碳，與硫，磷一樣，為有害雜質(zhì)元素。要求碳含量愈低愈好，一般不應(yīng)超過(guò)00.03％(對(duì)于重要用途，應(yīng)低于0.01％)。鋼中主要合金元素為鎳，鈷，鉬，鈦，鉻和錳在馬氏體時(shí)效鋼中可用來(lái)部分代替鎳和鈷，在近期發(fā)展的無(wú)鈷鋼種中還用鎢代鉬或用釩代鈷。硅為雜質(zhì)元素，其含量不應(yīng)超過(guò)0.1％。鋁一一般是作為煉鋼時(shí)的脫氧劑而加入的，其殘余量在0.05％～0.2％范圍。此外還可用硼、鋯、鈣、鎂和稀土元素等進(jìn)行微量元素處理，以改善鋼的某些性能。
強(qiáng)度級(jí)別
常用的典型馬氏體時(shí)效鋼是按強(qiáng)度級(jí)別分類(lèi)的18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(0.300)和18Ni(350)是得到廣泛實(shí)際應(yīng)用的鋼種。近年來(lái)一些國(guó)家研制出許多馬氏體時(shí)效鋼的變異鋼種，特別是開(kāi)發(fā)出了不少具有良好性能的無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼。
生產(chǎn)工藝
主要生產(chǎn)工藝有冶煉、熱加工、冷加工、焊接、熱處理和表面處理。
冶煉
一般采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空白耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別在1500MPa以下的鋼種，可以采用非真空冶煉，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對(duì)高強(qiáng)度級(jí)別和用途重要的鋼種，必須采用雙真空冶煉工藝。在真空白耗重熔時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制電流和熔池溫度，以免鋼錠產(chǎn)生嚴(yán)重的枝狀偏析。
熱加工
馬氏體時(shí)效鋼在高溫下具有良好的熱塑性，其熱加工性與1crl8Ni9Ti大體相同。對(duì)于鈦、鉬含量較高的鋼種，鋼錠凝固時(shí)容易發(fā)生這些元素的微觀偏析，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結(jié)構(gòu)。減輕或消除微觀偏析的有效措施，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時(shí)進(jìn)行充分的高溫均質(zhì)化處理。為了防止由于Ti(c，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性，熱加工后應(yīng)盡量避免工件在1100～750C溫度區(qū)間內(nèi)緩冷或停留。為了獲得細(xì)晶粒和較佳力學(xué)性能，終鍛應(yīng)在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25％)完成。
冷加工
在固溶狀態(tài)下冷加工性非常好。拉拔、冷軋、彎曲、深沖等加工都容易進(jìn)行。鋼的加工硬化指數(shù)為0.02～0.03，與普通鋼相比低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，加工過(guò)程中無(wú)需軟化退火即可進(jìn)行90％以上變形量的冷加工。
焊接
良好的焊接性是馬氏體時(shí)效鋼的優(yōu)點(diǎn)之一。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同，焊前不必預(yù)熱，焊后不處理也不會(huì)產(chǎn)生裂紋，直接時(shí)效后，接頭系數(shù)即可超過(guò)90％。
熱處理
熱處理工藝簡(jiǎn)單是馬氏體時(shí)效鋼的另一重要優(yōu)點(diǎn)。鋼經(jīng)熱加工后，在冷加工和時(shí)效強(qiáng)化之前應(yīng)進(jìn)行固溶處理。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強(qiáng)化元素；并獲得均勻的高位錯(cuò)密度的全馬氏體組織。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時(shí)間為每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷卻速度對(duì)組織和性能影響不大。馬氏體時(shí)效鋼的高強(qiáng)度是通過(guò)時(shí)效處理得到的。時(shí)效溫度一般為480℃，強(qiáng)度級(jí)別高的鋼種可采用510¨C，時(shí)效時(shí)間為3～6h，時(shí)效后空冷。時(shí)效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質(zhì)點(diǎn)，使材料強(qiáng)度成倍提高而韌性損失較小。
馬氏體時(shí)效鋼的性能還可通過(guò)奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結(jié)合得到提高。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下，從而得到具有一定延性的，強(qiáng)度大于3500MPa的馬氏體時(shí)效鋼。在固溶后和時(shí)效前進(jìn)行的馬氏體形變處理，由于產(chǎn)生更多的位錯(cuò)，通常可使強(qiáng)度提高200MPa。固溶前的馬氏體形變，能細(xì)化奧氏體晶粒并增加鋼時(shí)效后的強(qiáng)度。
表面處理
如果不進(jìn)行表面處理，馬氏體時(shí)效鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度并不比普通高強(qiáng)鋼好。因此對(duì)于這種用途的零件，必須進(jìn)行表面處理(氣體滲氮、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動(dòng)軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上。
應(yīng)用馬氏體時(shí)效鋼已在包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，導(dǎo)彈殼體，鈾同位素離心分離機(jī)的高速轉(zhuǎn)簡(jiǎn)，直升飛機(jī)起落架，高壓容器，轉(zhuǎn)軸，齒輪，軸承，高壓傳感器，緊固件，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模，精密模具，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應(yīng)用。
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