马氏体时效钢激冷粉末的时效性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1990.0M.024 第12卷第4期 北京科技大学学报 Vol.12 No.4 1990年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1990 马氏体时效钢激冷粉末的时效性 唐昱荟·杨让· 摘要：利用SEM技术，魂马氏体时效钢激冷粉末经480°C、3h时效后的表面，发现 有大量的白点相，主要分布于结晶组织的品臂间，经能谱和波谱分析，鉴别其为T的化合 物。显微硬度的分析表明，澈冷粉末的时效硬度远远高于固溶许火后的时效硬度，并有可能 利用撒冷组织的特征来提高马氏体时效钢的性能，并调整其成分。 关铺词：马氏体时效钢，激冷、时效 Aging of Rapid Solidification Powders of Maraging Steel Tang Yuhui·Yang Rang° ABSTRACT:Use SEM,white dot precipipitations are found on the surface of rapid solidification powder of maraging steel after 3h aging at 480C.The precipitations mainly distribute between the solidification dendrite arms on the surface,but none in the powders.The precipitations are the compound of Ti by using energy spectrum and wave spectrum analysis.The aging hardness of rapid solidification powders is much higher than that of solid quenching samples. KEY WORDS;maraging steel,rapid solidification,aging 激冷技术出现后，被用于很多合金。对于马氏体时效钢的粉末治金，人们也作过一些工 作1~3)，主要研究18八i马氏体时效钢粉末成型后的组织性能，而且制取粉末的冷速往往较 低。由于成型处理总会使一部分激冷组织的特征丧失，成型后的时效研究就不能完全反映激 1989-09-02收稿 ,材料科学与工程系(Department of Materials Science and Engineering) 344

第 卷第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 尸尹 马 氏体时效钢激冷粉末的时效性 唐显荟 ， 杨 让 ， 洲 摘 要 利用 技 术 ， 观 察马 氏 沐时效 钢 激 冷粉 末 经 、 时 效 后 的表 面 ， 发 现 有大最 的 白点 相 ， 主 要分 布于 结 晶组 织 的晶 臂间 ， 经能 潜和 波 潜 分 析 ， 鉴别 其为 的化 合 物 。 显 微硬 度的分析表 明 ， 激冷 粉 末 的时效硬 度 远 远高 于固 溶 淬火 后 的时效 硬 度 ， 井有可 能 利用 激冷组 织 的特征 来提 高马 氏体时效钢 的性 能 ， 并 调 整其 成分 。 关锐 词 马 氏体时 效 钢 ， 激 冷 、 时 效 产一 ” “ “ ’ ” 夕 ， ， 一 ， 。 ， 。 。 卜 。 ， ， 激 冷技术出现 后 ， 被 用于很 多 合金 。 对于 马氏体时效钢 的粉 末冶 金 ， 人 们 也作过 一 些工 作 “ 一 “ ’ ， 主要 研究 州马氏 体时 效钢粉末成型 后的组织 性能 ， 而且 制 取粉 末的 冷速 往 往 较 低 。 由于成型 处 理 总 会使一 部分 激冷组织的特 征丧失 ， 成 型 后的 时效 研 究就不能完 全 反 映 激 一 一 收 稿 材料 科学 与工 程 系 、 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．04．024

冷组织的影响。本文旨在以下两方面作一些工作：(1)以未经成型处理的激冷粉末为研究对 象，时效处理直接在激冷粉末上进行，并将制取粉末的冷速提高到105℃s。(2)考虑到激 冷组织的特点，在18N250马氏体时效钢基础上改变成分，探讨调整常规马氏体时效钢成分 的可能性。 1实验材料及方法 实验钢的化学成分见表1,18Ni250级马氏体时效钢。 激冷粉末的制备过程如下：用小段钢料放在底部喷嘴直径为0.2~0,3mm的石英管中， 高颇感应加热熔化后，钢液被氢气从喷嘴中压出成一细小液流，溅射在刻有凹凸槽的以 4000r/min高速旋转的铜盘边沿，被切割、粉碎，并与冷的铜盘和容器四壁的热交换而快速 凝固。铜盘和容器四壁事先通液氨冷至-10℃左右，整个过程是在真空中进行，真空度约 为13~1.3Pa。用标准筛分法将粉未分类，选取-325目（<454m)的粉末为研究对象。 粉末用环氧树脂镶样，经轻磨、抛光、浸蚀、喷碳后，在JEOL、JSM-35CF扫描电 镜上观察其结晶组织；显微硬度在1MT-3型显微硬度计上获得，固体样品使用的载荷为 50g,粉未使用的为20g。 所有的时效处理都是在480℃进行，固体样品经810℃，1h固溶后，空冷淬火。 表1实验用钢的成分，% Table 1 The composition of alloys in experiment, Ni Mo Ti Co C a 17.0 5,4 0.5 7.6 0.019 0.015 0.008 2 14.0 8.5 1.0 0.014 0.015 0.007 3 14.0 11.0 1.0 0,012 0.014 0.007 14.0 13.0 1.0 0.015 0.015 0.006 5 14.0 15,5 1.0 0.013 0.013 0.006 14.0 9.0 2.1 0.014 0,015 0.006 7 14.0 8.8 3.0 0.015 0.015 0.007 2实验结果与讨论 2.1粉末时效后的表面白点相 以下的分析都是以2钢为例，对其它各号钢粉的观察得到同样的结果。 如图1和图2所示。图1为2*钢激冷粉末时效前的表面结晶组织，为细技晶，图2是经 480℃、3h时效后的表面组织。从图2中发现粉未表面有大量小白点，呈规则的方块形，主要分 布在结晶组织的晶臂间，而且-一般晶臂间的白点尺寸比臂内要大，从图中测得的尺寸为0.1 ~0.24m。在时效前的粉未表面（图1）和时效后的粉末内部都未发现类似的白点相，说明 白点相是在时效过程中出现的，并且与粉末表面的某一组织特征有关。 Ross P Ni和Kear B H曾对高温合金激冷粉未的表面偏析情况进行了研究，发现在凝固 345

卜 冷组织的影 响 。 本文 旨在以下两方面作一些工 作 仅 以未经 成型处 理 的激 冷粉末为研究对 象 ， 时效处 理直接 在激冷粉末上进 行 ， 并将 制 取 粉末的冷速提 高到 ” ℃ 。 考虑到 激 冷组织 的特 点 ， 在 马 氏 体 时 效钢基础上 改 变成分 ， 探讨 调整常规 马氏 体时 效钢成 分 的 可 能性 。 实验材料 及方法 实验 钢 的化学成 分见 表 ， 级马 氏 体时 效钢 。 激冷粉 末的 制备 过 程如 下 用小段 钢料 放在底部喷嘴直径为 一 。 的 石 英 管 中 ， 高颇感应加热 熔 化 后 ， 钢液被氢 气从喷嘴 中压出成一细小 液流 ， 溅 射 在 刻 有 凹 凸 槽 的 以 。 。 了 高速旋转的 铜盘 边沿 ， 被 切割 、 粉 碎 ， 并与 冷的 铜盘 和容器 四壁的 热 交换而快速 凝 固 。 铜盘 和容 器 四 璧 事先 通液氮冷 至 一 ℃ 左 右 ， 整个 过 程 是 在真空 中进行 ， 真 空 度 约 为 一 。 用 标 准 筛分 法将粉 末分 类 ， 选 取 一 目 产 的 粉 末为研究对象 。 粉末用 环氧树 脂 镶 样 ， 经 轻 磨 、 抛 光 、 浸 蚀 、 喷 碳 后 ， 在 、 一 扫 描 电 镜上观 察其结 晶组织 显微 硬 度 在 一 型 显 微 硬度 计上获 得 ， 固 体 样 品 使 用 的载 荷 为 ， 粉末使 用 的为 。 所有的 时效处 理 都是 在 ℃ 进行 ， 固体样 品经 ℃ ， 五固溶后 ， 空冷淬火 。 表 实 验 用 钢 的 成 分 ， 。 主 ， 勺气 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 一 。 。 。 。 。 。 。 。 实验结果与讨论 。 粉末 时效 后 的表 面 白点 相 以下的分析都是 以 钢为 例 ， 对其它 各 号钢粉的观 察得到 同样的 结果 。 如图 和 图 所示 。 图 为 非钢激冷粉末时效前的 表面 结晶组织 ， 为 细枝 晶 ， 图 是经 ℃ 、 时效 后 的 表面 组织 。 从 图 中发现粉 末 表面 有大量小 白点 ， 呈规则的方块形 ， 主要 分 布 在结 晶组织 的 晶 臂间 ， 而且一般 晶臂间的 白点尺寸 比 臂内要大 ， 从 图中测 得的尺 寸为 一 户。 。 在时效 前的 粉 末表 面 图 和 时效 后 的粉 末内部都未 发现 类似 的 白点相 ， 说 明 白点相是 在时效过 程 中出 现的 ， 并且与粉末表 面的 某一组织特征有关 。 和 曾对 高温 合金激冷 粉 末的表面偏析情况进 行 了研 究 ， 发现在凝 固

过程中，T易于偏析在粉末表面，其存在形式可以是单质也可是TC4)。在本实验中，以2 钢-325目的粉未为例，选取直径为404m的磨面（接近最大磨面）进行逐点波谱定性分析。 其体是沿磨面的一直径取5个点，按定点扫描的计数画出T沿该伦向的分布曲线，如图3所 示，可以明显看出越接近钢粉表面的计数越大，粉未表面有Ti的偏聚。 图1时效前表面结品组织 图2时效后表面组纠 Fig.I Morphology of surface before aging Fig.2 Morphology of surface after aging Ti 为了进一步签别白点相，对2钢时效粉末 表面含白点相和不含白点相的小区进行能谱成 Powder 分分析。结果表明：含白点相的小区富T、贫 Ni、少Mo,经1h、3h、10h时效后，发现粉末 随时效时间延长，白点相由小到大，由少到 多。上述结果说明，观察到的白点相是在时效 过程中析出的Ti的化合物。文献〔3)对马氏体 时效钢的粉末治金研究也发现：成型后的时效 处理使粉末联接处有大量钛化物析出，而且析 图3Ti沿粉末截面直径的分布 出相几乎形成一个化合物膜，严重影响粉末治 Fig.3 Distribution of Ti content 金产品的韧性，并测得析出相尺寸为0.05~ along the diameter of powder 0.lum,认为它是o-FeTi相。 2.2激冷粉末的时效硬度 测量不同成分的激冷粉末时效前后的显微硬度，并与固溶淬火样品时效前后进行比较， 其结果如图4、5，时效工艺为480℃、3h,硬度值误差为±50HV。由图4、5中曲线1、 2的对比可以发现，时效前激冷粉末的硬度与固溶淬火的硬度几乎没有差别，而曲线3、4 所显示的时效后两者的差别则相当大。经480℃、3h时效处理后，激冷粉末的硬度比时效前 提高约350HV,而固溶淬火样品的时效硬度仅比时效前提高约150HV,因而，激冷粉末的 时效硬度比常规固溶淬火样品的时效硬度高200HV左右。该结果说明，激冷对时效强化效 果有显著加强作用。这从1*M250级马氏体时效钢固溶淬火时效与激冷时效后的硬度差值也 可得到证实，前者的硬度为530HV,与18NiM250级所应有的抗拉强度相当：后者为770HV, 比前者提高了240HV。激冷组织对时效强化效果的加强作用可通过其特点来解释。我们知 346

过程 中 ， 易于 偏析 在粉 末表面 ， 其存 在形 式可 以是 单质也可是 〔 〕 。 在本 实验 中 ， 以 莽 钢 一 目的 粉 末 为例 ， 选 取直径 为 声 的磨面 接近 最大 磨面 进 行逐 点波 谱定性分 析 。 具体是沿 磨面 的一直 径 取 个点 ， 按 定 点扫描的 计 数 画 出 沿 该径 向的分布 曲线 ， 如 图 所 示 ， 可 以 明显 看 出越接 近钢粉 表面 的 计数越 大 ， 粉 末表面 有 的 偏聚 。 戮餐犷 、 飞 斗 琉小 气绮咨共 轰扛落 、 渡爪 叭 价 、一布…翼 瓣翼龚熬 奢蓬赢臃 时效 前表 面结晶组 织 图 时效 后 表面组 织 遭 图 沿 粉 末 截 面直径 的 分 布 为 了进一 步签别 白点相 ， 对 钢时效 粉 末 表面 含 白点相和不含 白点相的小区进 行能谱成 分分 析 。 结 果表 明 含 白点相 的 小 区富 、 贫 、 少 。 ， 经 、 、 一 时效 后 ， 发现粉 末 随 时效 时 间延 长 ， 白点相 由小 到 大 ， 由 少 到 多 。 上述 结果说 明 ， 观 察到 的 白点相是 在时效 过程 中析 出的 的 化 合物 。 文献 〔 〕对 马 氏体 时效钢的粉 末冶 金研究也 发现 成型后 的时效 处 理 使粉 末联接 处 有大 量钦化物析 出 ， 而且 析 出相几乎形成一 个化合物膜 ， 严重 影 响粉末冶 金产品 的韧 性 ， 并侧得析出相 尺 寸 为 。 产 ， 认为它是 一 相 。 激 冷粉末 的时效硬度 测 量不 同成分的激冷 粉 末 时效 前后的显微硬度 ， 并与固溶 淬火 样品 时效前 后进 行比较 ， 其结果如 图 、 ， 时效工 艺为 ℃ 、 ， 硬度 值误 差为 士 。 由 图 、 中曲线 、 的对 比可 以发现 ， 时效 前激冷粉 末的硬度与 固溶 淬火 的硬度 几乎没 有差别 ， 而 曲线 、 所 显示的 时效 后两者的 差别 则 相当 大 。 经 ℃ 、 时效处 理 后 ， 激冷粉 末的 硬度比 时效前 提高约 ， 而 固溶 淬火样 品 的 对效 硬度仅 比 时效 前 提 高约 ， 因 而 ， 激 冷粉 末的 时效 硬度比常规 固溶 淬火样品 的 时效 硬度高 左 右 。 该结 果说 明 ， 激 冷对 时效强 化效 果 有显 著加强 作用 。 这 从 级马 氏体时效 钢 固溶淬火 时效 与激 冷 时效 后的 硬度差 值也 可 得到 证 实 ， 前 者 的 硬 度为 ， 与 级 所应 有的抗拉强 度相 当 后 者为 ， 比前者 提高了 。 激冷组织 对 时效强 化效果 的 加强 作用 可 通 过其 特 点 来解释 。 我们知

道，激冷由于其极高的冷速而使由此得到的组织具有晶粒细、固溶度扩展缺陷密度提高、 偏析减小的特点。所有这些都有助于时效时第二相大量、弥散、均匀地析出，这会显著加强 时效强化的效果。 8.0 8.0 7.0 7.0 6.0 6.0 名 201X 5.0 5.0 4.0 2 4.0外 3.0 3.08.0 10.0 12.0 14.0 2.0L Mo,wt% 0 1.0 2.0 3.0 Ti,wt 图4显微硬度随Mo合量的变化(Ti:1.0) 图5显微硬度随Ti的变化(Mo:9.0%) 1固溶淬火2凝冷凝固3固溶淬火时效 1固溶淬火2激冷凝固8固溶淬火时效 4激冷凝固时效 1敬冷凝固时效 Fig.d Variation of hardness with con Fig.5 Variation of hardncss with tent of Mo(Ti:1.0%) content of Ti (Mo:9.0%) 从图4、5还可看到，尽管2*~7钢均不含C0,且Ni含量降低，但通过激冷时效处理 依然可以获得很高的硬度，这说明去掉Co、降低Ni,不依靠Co一Mo联合强化作用，而依靠 邀冷组织的特点依然可以得到很好的性能，从而为调整马氏体时效钢成分提供了可能性。通 常的18Ni马氏体时效钢含有17%~19%Ni、7%~9%Co,而Ni、Co都是世界上很重要的 战略性元素。本实验采用Ni-Mo-Ti系马氏体时效钢，去掉Co,降低Ni,这将使钢的成本 大为降低；同时从图5可看出，增加Mo、T含量对激冷粉末的时效硬度影响很小，因而 Mo、T含量也不必太高，尤其是T,在激冷凝固时偏析于粉末表面，随后的时效又使其以 钛化物的形成析出，严重影响粉末治金产品的韧性，应尽量减少。 为探讨激冷时效动力学，对2钢于480°C不同时间时效的显微硬度作了分析，其结果见 8.0 o-Solid quenching Rspid solidification 6.0 5.0 4.0 3.0 1012141618 t,h 图62·钢于180C时效的硬度随时间的变化 Fig.6 Variation of hardness of alloy 2 with aging time at 480'C 347

、 道 ， 激冷 由于其极高的冷 速而 使由此得到的组织具有 晶粒 细 、 固溶 度扩展 缺陷 密 度 提 高 、 偏 析减 小 的特 点 。 所 有这些 都 有 助于 时效时 第二 相大量 、 弥 散 、 均 匀地析 出 ， 这会显 著加强 时 效强化 的 效果 。 色岌 ‘ 过工 已州 艺 ，洲户声尸片粉曰曰 目 ， 州， “ 一 己 黔峨与 月 刁卜卜一一士一下 二 、 只二丰 寻 一 乞工气 ， · 竺 为 图 显 微 硬 度 随 含量的 变化 。 固溶 淬 火 激冷 凝 固 固溶 淬火 时 效 激冷 凝 固时 效 图 显 微 硬 度 随 丁 的 变化 〔 。 。 固溶 淬 火 激 冷 凝 固 固溶 淬火 时效 激冷 凝固时效 从 图 、 还可 看到 ， 尽 管 一 “ 钢 均 不含 ， 且 含 量 降低 ， 但 通过激冷时效处理 依然可 以获 得很 高的 硬 度 ， 这 说 明去 掉 、 降低 ， 不 依靠 。 一 。 联合强 化作 用 ， 而依靠 激冷组织 的特点 依然可 以得到 很好的 性能 ， 从而 为调 整马 氏体 时 效 钢成分 提供 了可 能性 。 通 常 的 马 氏体 时 效 钢含有 一 、 一 。 ， 而 、 都是 世界上很重要 的 战略性元 素 。 本实验 采 用 一 。 一 系马 氏体时 效 钢 ， 去 掉 。 ， 降低 ， 这将 使钢的成 本 大为 降低 同时 从 图 可 看出 ， 增 加 、 含量对激冷 粉 末 的 时 效 硬 度 影 响很 小 ， 因 而 、 含 量 也不 必 太高 ， 尤 其是 ， 在激 冷凝 固 时 偏析于粉末表 面 ， 随后 的 时效 又使其 以 钦化物 的 形成析 出 ， 严重影响粉末冶 金产 品的韧 性 ， 应尽 量减少 。 为 探 讨激冷 时效动力 学 ， 对 “ 钢于 “ 不 同时 间时效的 显微 硬度作 了 分 析 ， 其结 果见 气 昌 昙 洲 名 功 杖 ， 从林’ 粗 性口户月一 色 ‘ 图 寸， 钢于 二 时 效 的 硬 度 随 时 间 的 变化

图6。图中表明，固溶淬火时效和激冷时效的规律基本一致，都是在3达到硬度峰值，但在 激冷的情况下，随时效时间的延长，硬度在初期的增加和达到峰值后的下降都非常迅速。这 是因为激冷组织严重偏离平衡态，是不稳定的，再加上其晶粒细小，缺陷密度大等特点，使 初期时效相的析出、生长和达到峰值后时效相的粗化、固溶体的分解、激冷组织的回复再结 晶都很迅速，因而出现图示的特征。最后，随着时效时间的延长，激冷组织特征消失，硬度 与常规处理的硬度相差无几。以上分析可知，激冷马氏体时效钢于480°C时效的时间仍以3h 为佳。 3结 论 (1)马氏体时效钢激冷粉末时效后在粉术表面析出大量钛化物。 (2)激冷组织特点有助于马氏体时效钢的时效析出，能进一步提高时效强度。 (3)马氏体时效钢激冷后的时效处理仍以480℃、3h为佳。 (4)可以利用激冷组织特点来调整马氏体时效钢的成分，在18Ni马氏休时效钢成分的基 础上，去掉Co、降低Ni。 参考文献 1 Smugeresky J E,et at.The Inter.J.of Powder Metall and Powder Technology,1981,17(4):305 2 Isserow S,Powder Metall.,1977,20 (3):137 3 German R M,et al.Metallurgical Trans.A,1978,9A (5):405 4 Ross P N,et al.Proc.of Inter.Conf.on Rapid Solidification Proce- ssing Principle and Technologies,1978:278 348

图 。 图中表 明 ， 固溶 淬火时效 和激冷时 效的 规 律基 本一致 ， 都是 在 达到 硬度峰值 ， 但在 激 冷的情 况 卜 ， 随 时 效 时 间的 延 长 ， 硬度 在初 期 的增 加和 达到峰 值 后的 下 降 都非 常迅速 。 这 是 因为激 冷 组 织 严 重 偏离 平衡 态 ， 是 不 稳 定 的 ， 再 加 其 晶粒 细 小 ， 缺 陷密度 大 等特点 ， 使 初期时 效 相 的 析出 、 生 长和 达到峰 值后时 效 相 的 粗 化 、 固溶体 的 分 解 、 激冷 组织 的 回复再结 晶 都很 迅速 ， 因 而 出现 图示的 特征 。 最后 ， 随着时 效 时间的延 长 ， 激 冷 组织 特征消失 ， 硬度 与 常规 处 理的 硬 度相 差 无几 。 以上分析 可 知 ， 激 冷 马氏体 时效钢 于 时效 的 时间 仍 以 为 佳 。 尸尸 结 论 马 氏 体时效钢激 冷粉 末时 效后 在粉 末 表 面析 出大 量钦 化物 。 激冷 组织 特点 有 助于 马氏体 时 效钢 的 时效 析出 ， 能进 一 步 提 高时效强 度 。 马 氏体 时 效钢激 冷后 的 时 效处 理 仍 以 ℃ 、 为 佳 。 可 以 利用激冷 组织 特点来 调整马 氏体 时 效钢 的成 分 ， 在 马氏体 时效钢成 分 的基 础 上 ， 去 掉 、 降 低 。 今 考 文 献 ， 。 ， ， ， ， ， 。 ， ， ， 。 。 。 ， 甲矛