液态激冷Mn-Mo-Co马氏体时效钢组织结构和性能的研究

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1986.01.020 北京钢铁学院学报 190年8月 Journal of Beijing University No,1 第1期 of Iron and Steel Technology Mach 1986 液态激冷Mn-Mo-Co马氏体时效 钢组织结构和性能的研究 解子章吴成义 扬让 (粉末治金教研室) (金相教研室) 摘·要 M一Mo一Co马氏体时效锅是为节镶节钻而设计的一种新的马氏体时效钢，虽然强度可以达到甚至超 过马氏体时效钢的水平，而韧性却低的多。其主要原因是时效前已有大量析出相沿品界分布。为改善其性 能，本文研究了液态激冷M如，Mo、C0马氏体时效钢的组织结构，时效温度与部分机械性能的关系。 实验结果表明：激冷带具有极细的品粒和较大的固溶度。由于激冷带保留了液态的大量空位和位错，因 此，彩成了明盘的胞状组织，激冷带的横断面分为上，下两层，在接近辊面的激冷层内，为直径小于14四的 细等触得：其上部为细柱状晶的组织。并发现激冷层为韧性断口，柱晶层为解理断口。经时效处哩后，其硬 廖警排高于相同成份的谇火钢的时效硬度。关于液态激冷钢铁微晶材科的机械性能有待进一步研究。 关键词：液态激冷，微品，马氏体时效钢，组织结构 An Investigation of Structures and Properties of a Mn-Mo--Co Maraging Steel by Rapid Solidification Xie Ziznang Wu Chengyi Yang Rang Abstract A new maraging steel,Mn-Mo-co steel,has been made with the aim of saving the alloy elements,Co and Ni.Although the strength of the steel can reagk to or even overtake the strength level of commercial 18Ni maraging steel,the toughness of this steel is quite low.It is probably that the second phases were precipitated along the grain boundaries before the ageing pro- coss to be carried out.In order to improve the properties of the steel,a rap- id solidification technique has been used and the relationships between str- uctures and mechanical properties have been studied as well. 1985-04一20收到 ·45·

阳年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 液态激冷 一 一 马氏体时效 钢组织结构和性能的研究 解子 章 吴 成 义 扬 让 粉末 冶金教 研室 金相教 研 室 摘 ’ 要 一 。 一 。 马 氏 体时效钢 是为节镍 节钻而设 计的 一 种新的 马 氏 体 时效钢 ， 虽然 强度可 以 达到甚 至 超 过马 氏体 时效钢的 水平 ， 而韧性却低 的多 。 其 主要原 因是 时 效前已 有大量 析 出相沿 晶 界分布 。 为改 善 其 性 能 ， 本文研究 了液态激冷 、 。 、 。 马 氏体时效钢的组织 结构 ， 时 效 温度与 部分机械 性能 的关 系 。 实验结 果表明 激冷带具有极 细 的晶 拉和较大的 固 溶度 。 由于激 冷带保 留了液态的 大量 空 位 和位错 ， 因 此 ， 形成了明显的胞状组织 ， 激冷带的横断面分 为上 ， 下 两层 ， 在接近辊面的 激冷层 内 ， 为直径 小于 ” 玛的 细赞抽昂 ， 其上部为细柱 状晶 的组织 并发现檄冷层为韧性断 口 ， 柱晶 层 为解理断 口 。 经 时效处理后 ， 其硬 决普羚高于相异成份的淬火钢的时效硬度 。 关于液态 激冷钢铁微晶材料的 机械性能有待进一步研究 · 关幼 饲 液态 激冷 ，微晶 ， 马 氏 体 时效钢 ， 组 织 结构 姗 ， 一 一 夕 附 作夕夕 ” 夕 韶夕 扭 ， 一 一 ， 辑平 从 夕 ， 护 叹扛 。 。 五 ， ， 夕 玩。 。 ， ， ‘ ’ 书 卜。 粤 甩 丫 七 ， 毛 乓。 又 。 踌 皿 卑 尽 一 一 收到 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．01．020

The experimental results shown that the rapid cooling thin metal belt has a very fine grain size and high solid solubility of alloy elements,In thls microstructure,the vacancies and dislocation are so high that an homogeneo- us cell structure are formed.The transverse section of the rapid cooling belt consists of two layers,upper and lower layers.The microstructure of lower layer which is direct contact with the roller surface consists of equiaxed fine crystals with a diameter less than 1um,and the upper layer make up of fine columnar crystals,It has been also found that the rapid cooling layer always has a tough fracture,but columnar crystal layer,i.e.upper layer,us- ually has a cleavage fracture.In the ageing condition,the hardness of the rapid cooling belt is always higher than that of quenched steel having the same chemical composition.However,other mechanical properties of the mi- crocrystal steel formed by rapid solidification are still remained for furth- er investigation. Key words:rapid Cooling of liquid metal,microcrystalline,maraging steel, structure 前 言 自六十年代初Ag一Si非晶合金问世以来，液态激冷技术不仅在非晶材料而且在微晶材料 的研究工作中都取得了飞跃的发展。由于采用液态激冷技术，给合金带来了一系列优异的性 能，例如：扩大了合金的固溶度，得到了新的亚稳相，这些亚稳相可产生显著的沉淀硬化效 应，从而有效地改进合金的韧性。 对大多数金属而言，可以得到极细的品粒，一般在0.1~54m,故称微晶材料。它比正 常工艺制取的金属材料的晶粒要小1~2个数量级。在此晶粒范围内Hal1一Petch公式仍然 有效，这样就使材料获得极高的韧性。 激冷微晶材料的内界面偏析现象大为减少，从而改变了材料的晶界状态。 因此，国外一些学者预言：甘世纪后期金属材料技术革新的重要内容是液态激冷技术 的应用。人们对激冷材料的前景寄以极大的希望。但是应该指出：对于液态激冷金属性能的 研究还远远落后于组织结构的研究，特别是液态激冷钢铁材料，更是如此。 近年来，日本的峰村哲郎等人提出，液态激冷钢铁材料可以获得用热处理方法所不能得 到的极细晶粒和较大的固溶度。但是到目前为止，对于热态激冷钢铁材料的研究工作，大部 分集中在合金的组织结构方面〔1~)，关于液态激冷对合金机械性能的研究，有待今后进一步 探讨c5) M·、Mo、Co马氏体时效钢是结合我国资源情况设计的新钢种，它具有较高的强度。 但是时效前由于沉淀相沿马氏体板条界和品界呈片状析出，尺寸也较大，导致合金韧性下降， 使其应用受到一定的限制。为了进一步提高合金性能，本文采用液态激冷技术，着重研究丁 液态激冷MnMoCo马氏体时效钢的组织结构，时效温度对合金硬度的影响。 ·46·

丁 攀 ， “ ， 拼 ， 、 ， 夕 ， ， ， ， ， ， ， 名 前 迎‘ 二 日二翻 自六十年代初 一 非 晶合金 问世 以 来 ， 液态激冷技术不 仅在非 晶材 料而 且在微晶材 料 的研究工作 中都取得 了飞跃的发展 。 由于采用 液 态激冷 技 术 ， 给 合金带来 了一系 列优异 的性 能 ， 例如 扩大 了合金的固溶度 ， 得 到 了新 的亚稳相 ， 这 些 亚稳相可产生 显著的沉淀硬化效 应 ， 从而有效地改 进 合金 的韧性 。 对大多 数金属 而 言 ， 可 以 得 到 极细 的晶粒 ， 一 般在 “ ， 故称微 晶材 料 。 它 比正 常工艺制取 的金属材 料的晶粒要小 个数量级 。 在 此晶粒范 围 内 一 公式仍然 有效 ， 这样就使材 料获得极 高的韧性 。 激冷微 晶材 料 的内界面偏析 现 象大为 减少 ， 从而改变 了材 料 的晶界状 态 。 因此 ， 国外一 些学者预言 廿世纪 后 期金属材 料技术革新 的重要 内容是 液态 激 冷 技 术 的应用 。 人们对 激冷材 料的前景 寄 以 极大 的希望 。 但是应该指 出 对 于液态激冷金 属性能的 研究还远远落后 于组织 结构 的研究 ， 特别是液态激冷钢 铁材 料 ， 更是 如此 。 近年 来 ， 日本 的峰村哲 郎等 人提 出 ， 液 态激冷钢 铁材 料可 以获得用热 处理方 法所不 能得 到 的极细 晶粒和较大 的固溶度 。 但是 到 目前为止 ， 对 于热 态激冷 钢铁材 料的研究 工作 ， 大部 分集中在 合金的组织结构方面 〔 ‘ 一 〕 ， 关于液 态激冷对 合金机械性能的研究 ， 有待今后进一步 探讨〔 〕 、 。 、 。 马氏体时效钢是 结合我国资源情况设 计的新钢种 ， 它具 有较 高 的 强 度 。 但是 时效前 由于沉淀相沿马 氏体板条界和 晶界 呈 片状析 出 ， 尺寸也较大 ， 导致合金韧性下降 ， 使其应用受到一定 的限制 。 为 了进一步提高合金性 能 ， 本文采用 液 态激冷 技术 ， 着重研究 了 液 态激冷 。 马 氏体时效钢 的组织结构 ， 时效温度对 合金硬度 的影 响

1原材料及实验方法 本实验用钢的化学成份见表1，采用真空感应炉冶炼，铸成5kg圆锭，并锻成中14圆棒。 表1Mn-Mo-Co马氏体时效钢化学成份 Tab,1 The chemical composition of Mn-Mo-Co maraging steel Alloying element Ma Mo Co C Fe Content,% 10 11 o 0.03 Trace remainder 1.1激冷带的制备 目前，国内外广泛应用的液态激冷方法主要 Vacaum cover 有，旋转圆简法，轧辊淬火法（液态轧制包括单、 Ar 双辊两种)，保护气氛喷枪法以及高速溅射法等十 几种。本实验采用氢气保护单辊激冷法。基本装置 Quartz tube 为图1所示，其操作过程如下， .Induction coil 在高速旋转的铜辊上方，装置一个高频加热的 Liquid.steel Rapid 石英管，管内放有中14×14mm的钢样。当钢样熔 cooling 化后，借助管内氩气的压力，使钢液由石英管内流 band 出，与高速旋转的铜辊接触，使其骤冷成薄带，依 靠离心力甩出。全部过程在充有氩气的真空密封罩 Copper roll 内进行，其工艺参数如表2所示。 由表2可知激冷辊表面的线速度为50m/s,激 图1单鲲撒冷装置示意图 冷带的厚度为20304m,与国外有关参数相近。 Fig.1 Schematic diagram of rapid cool:ng installation for single roll 薄带表面平整，光亮无氧化（呈银灰色）。 表2制取激冷带的工艺参数 Table 2 Technological parametersof rapid cooling belt Degree of overheating of liquid 3050C Ar pres.rin quartz 1.5~2 atm steel tube Diameter of hole at quartz Diameter of roll 320mm 0.5mm tube bottom Distance from bottom hole R.P.M.of roll 3000r,p.m 1m知 to roll surface Ar thrice filled Protection atmosphere Material of roll copper in vacuum 1.2热处理工艺 (1)对比试样的制备：为了对比液态激冷带与普通熔铸锻造淬火材料的组织与性能。本 文采用相同成份的Mn、Mo、Co马氏体时效钢、经熔俦、锻造后，于1200℃加热30mn油 ·47·

原材料及实验方法 本实验用 钢的化 学成份见 表 ， 采用 真空 感应炉 冶炼 ， 铸成 圆锭 ， 并锻成 拟 圆棒 。 衰 一 。 一 。 马氏体时效钥 化学 成份 一 一 母 ， 滋冷带的制备 目前 ， 国内外广泛应用 的液态激冷 方 法 主 要 有 旋转圆筒法， 轧辊 淬火法 液态轧制 包括单 、 双辊两种 ， 保 护气氛喷枪法 以及高速溅射法等十 几 种 。 本实验采用氢气保护单辊激冷法 。 基本装置 为 图 所示 ， 其操 作过程如下 在高速旋转的铜辊上方 ， 装置一 个 高频加热 的 石 英管 ， 管内放 有小 的钢 样 。 当钢样熔 化后 ， 借助 管内氢 气的压力 ， 使钢液 由石 英管内流 出 ， 与高速旋转的铜辊接触 ， 使其骤冷成薄带 ， 依 靠离心力甩出 。 全部过程在充有氢气的真空密封罩 内进行 ， 其工艺参数如 表 所示 。 由表 可知激冷辊 表面 的线速度为 ， 激 冷带的厚度为 召 ， 与 国外有关参数相近 。 薄带表面平整 ， 光亮无氧化 呈 银灰色 。 皿 份 口 咖 吕 、 图 单辊 激冷装置示愈图 二 裹 制 取 激冷带 的工 艺参数 一 里 。 口 尤口幻比 。 。 。 。 。 习 热处理工 艺 对 比试样的制备 为 了对 比液态激冷带与普通 熔铸锻造淬火材 料的组织 与性 能 。 本 客采用相同成 份的 、 。 、 。 马 氏体时效钢 、 经 熔铸 、 锻 造 后 ， 于 ℃ 加热 ’ 油

淬（以下简称熔俦淬火试样），而后制成金相样品。 (2)时效处理：对上述两种试样分别在430、460、490、520和550℃的温度下加热并保温3h 进行时效处理，然后制成金相样品以便观察。 1.8组样结构的鉴定 分别将激冷带和熔铸淬火试样制成20×20mm的薄片，用X-射线衍射仪进行结构分析。 2实验结果及分析 2.1液态激冷Mn、Mo、Co马氏体时效钢薄带原始组织形貌 图2为激冷M、Mo、Co马氏体钢的扫描电镜照片。图3是熔俦淬火试样的光学微镜照 片。 图2徽冷带平面形貌照片（扫描），浸烛剂，硝 图3熔铸油淬试样显微镜照片，设蚀剂。硝酸酒精250× 酒精1400× 组织，板条马氏体+沉淀相 Fig.2 Morphology of rapid cooling belt in Fig3.Optical microscopy oil-quenched sample as cast horizontal section,Etching agents Etching agent,Nitric acid.Alcohol,250x,structure. Nitric acid,Alcohol,1400x plate-like martensite-precipited phase 由上述照片可明显看出： 液态激冷Mn、Mo、Co马氏体时效钢的晶粒极为细小，其晶粒尺寸大约由0.54m104m 不等，3~54m者约占70%以上，而熔俦一油淬试样的晶粒较粗大，并且沿晶界和晶内有 大量预析出物析出。两者晶粒大小相差20倍以上。 图4是激冷带横断面的形貌，该图说明单辊激冷带的组织分上，下两层，接近辊面的 是“激冷层”，在这一层内晶粒直径不到14m(等轴晶，浸融极困难)，另一层称“自由 面”，为细柱状晶。 单辊激冷的一个显著特点，就是沿激冷带厚度方向冷却速度不均匀，激冷带接近冷却辊 的一面，散热最快，冷却速度最大，因而晶粒最细。在这一薄层内（约3~44m)冷却条 件大致相同，形成了上述的“激冷层”。 由于晶粒生长的各向异性和热传导的方向性。在“激冷层”的上面形成了柱状晶（结晶 织构)。这就是单辊激冷带形成上、下两层组织的原因。 ·48·

淬 以下 简称熔铸淬火试样 ， 而后 制成 金相样品 。 时效处理 对 上 述两种试样分别 在 、 、 、 和 ℃ 的温度下加热 并保温 进 行时效处理 ， 然 后 制成金相样品以便观察 。 百 组样结构 的鉴定 分别将激冷带和熔铸淬火试样制成 的薄片 ， 用 一 射线衍射仪进 行结构分析 。 实验结果及分析 ， 液态激冷 、 。 、 。 马氏体 时效钢 薄带原始组 织形貌 图 为激冷 、 。 、 。 马 氏体钢 的扫描 电镜照 片 。 图 是熔铸淬火试 样的光学微镜照 片 图 滋冷带平面形貌照 片 扫描 ， 浸蚀荆 硝 图 熔铸 油淬试样显微镜照 片 ， 浸蚀荆 稍酸酒精肠 酒精 。 。 组 织 板条马 氏 体 十 沉 淀相 一 ， 灯 口 五 ， ， 亡 盯 ， ， 吸 又 一 一 由上述照 片可 明显看 出 液态激冷 、 。 、 。 马 氏体时效钢 的晶粒极为细小 ， 其晶粒尺寸大约 由 拼 。 拼。 不等 ， 召 者约 占 以上 ， 而熔铸一 油淬试样的晶粒较粗大 ， 并且 沿晶界和晶 内 有 大量预析 出物析 出 。 两者晶 粒大小相差 倍以上 。 图 是激冷带横断面 的形貌 ， 该 图说 明单辊激冷带 的组织分 上 ， 下 两层 ， 接近 辊 面 的 是 “ 激冷层” ， 在这一层 内晶粒直 径不 到 群 等轴 晶 ， 浸融极 困难 ， 另一 层称 “ 自 由 面” ， 为细往状晶 。 单辊激冷 的一 个显著特点 ， 就是沿激冷带厚度 方 向冷却速 度不均 匀 ， 激冷带接近 冷却辊 的一 面 ， 散热 最快 ， 冷却速度最大 ， 因而晶粒最细 。 在 这一 薄层 内 约 “ 冷 却 条 件大致相同 ， 形成 了上 述 的 “ 激冷层” 。 由于 晶粒生长的各 向异性 和热 传导 的方 向性 。 在 “ 激冷 层” 的上 面形 成 了柱状 帚 结晶 织构 。 这就是单辊 激冷带形 成上 、 下 两层 组织 的原 因

图4原始激冷带横断面形貌（光学显微镜：，浸蚀剂，硝酸酒析 图5藏冷帝平面形貌（扫描）胞状组织5E00× Fig.4 Morphology of the transverse seetion of original Fig.5 Morpholgy of the horizontal section rapid cooling belt (optical microscopic) of rapid cooling belt (seanning Etching agent,Nitric acid,Alcohol,800 x2.5x microscopic)Cell structure 5600x 图5和图6为两张放大倍数不同的激冷带平面扫描 电镜照片，图中明显表示出胞状组织。 在液态激冷金属中，保留了大量空位和位错，同时 造成极大的应力，因而使位错密度急剧增加。当位错进 行交叉滑移时，它们立即集结为缠结，形成高位错密度 区和低位错密度区。这些低位错密度区被称为胞或亚 品〔6) 2.2液态激冷Mn、Mo、Co马氏体时效钢的组织结构 2.2.1激冷带X-射线衍射花样 激冷带的X-射线衍射花样如图8所示。在20=20~ 110°的范围内共出现四个峰值，对各峰值的计算结果如 表3所示。根据X-射线结构分析可知，液态澈冷M、 Mo、Co马氏体时效钢组织中只存在单一的体心立方结 图6激冷带平面形貌扫描胞状组织 构。 Fig.6 Morphology of the horizontal section of rapid cooling belt 表3还可表示出了相同成份的Mn、Mo、Co马氏 (scaning microscopic)Call 时效钢熔铸一油淬试样X~射线衍射参数的计算结果。 structure2200× 图7则是其衍射花样。同样根据X-射线结构分析可知， 熔铸一油淬试样也为体心立方结构。 对于液态激冷合金而言，根据合金成份的不同，可获得单相非平衡奥氏体或其它相9) 本文上述两种钢，经X-射线分析均确认为体心立方结构。前者（熔铸一油淬试样）为已 知体心立方马氏体结构，后者（激冷带），因Ms点较高，液态激冷又提供了极大的冷却速 度，因此，极易形成马氏体组织。 2,2.2激冷带原始组织中没有沉淀相析出 ·49·

图 原 始激 冷 带横断面形貌 光学 显微镜 ， 浸蚀荆 ， 硝酸 酒 精 ， ， 图 激冷 带平面形貌 扫描 胞状组 织 它。 。 生 图 和图 为两张放大倍数 不 同的激冷带平面扫描 电镜照 片 ， 图中明显 表示 出胞状组织 。 在液态激冷金属 中 ， 保 留了大量空 位和位错 ， 同时 造成极大的应力 ， 因而 使位错密度急 剧增加 。 当位错进 行交叉滑移时 ， 它们立 即集结为缠结 ， 形 成高位错密度 区和低 位 错 密 度 区 。 这 些低位错密度 区被称为 胞或 亚 晶〔 〕 液 态激 冷 、 。 、 。 马氏休时 效钢的组 织结 构 激冷带 一 射线衍射花样 激冷带的 一 射线衍射花样如 图 所 示 。 在 “ 的范围 内共 出现 四 个峰值 ， 对 各峰值 的计算结果如 表 所示 。 根 据 一 射 线结构分析 可知 ， 液 态激 冷 、 。 、 马 氏体时效钢 组织 中只存在单一 的体心立 方 结 构 。 表 还 可 表示 出了相同成份的 、 、 。 马 氏 时效钢熔铸一 油淬试 样 一 射线衍 射参数 的计算结 果 。 图 则是其衍射花样 。 同样根据 一 射线结 构 分析 可知 ， 熔铸一 油淬试 样也为 体心 立 方 结构 。 图 激冷 带平面形貌扫描胞状组 织 了 对于 液态激冷合金而 言 ， 根据 合金成份 的不同 ， 可 获得单相非平衡奥氏体或 其它相〔的 本文 上 述两种钢 ， 经 一 射线分析 均确认为 体心 立方结构 。 前者 熔铸一 油淬试 样 为 已 知体心立方 马 氏体结构多 后者 激冷带 ， 因 点 较 高 ， 液 态激冷 又提供了极大 的冷 却 速 ， 度 ， 因此 ， 极 易形 成马 氏体组 织 。 激冷 带原始组织 中没有沉 淀相析 出