熱處理對9Cr13Mo3Co3Nb2V組織與硬度的影響

霍登平，梁志凱

(1．西安飛行自動控制研究所 檢測試驗中心，西安 710065；2．北京航空材料研究院，北京 100095)

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熱處理對9Cr13Mo3Co3Nb2V組織與硬度的影響

霍登平1，梁志凱2

(1．西安飛行自動控制研究所 檢測試驗中心，西安 710065；2．北京航空材料研究院，北京 100095)

采用金相分析、硬度測試等技術手段，研究熱處理對馬氏體不銹鋼9Cr13Mo3Co3Nb2V組織和硬度的影響。結果表明：9Cr13Mo3Co3Nb2V經淬火、冰冷處理及多次回火后，殘余奧氏體充分轉變為回火馬氏體，并產生較強的二次硬化效果，進而獲得穩定的組織和高的硬度；在350 ℃以上回火時，由于組織中二次碳化物的析出，開始出現二次硬化傾向，至480～520 ℃時，回火硬度達到了最大值。

9Cr13Mo3Co3Nb2V鋼；二次硬化；熱處理；顯微組織；硬度

9Cr13Mo3Co3Nb2V是一種高碳高硬度彌散硬化型馬氏體不銹鋼，除具有較高的含碳量外，還含有大量的碳化物形成元素，如Cr，Mo，Nb，V等，這些元素在淬火過程中回溶進入基體，回火中析出彌散強化相，促進二次硬化[1-4]。淬火后，經過多次冰冷和回火處理，使得殘余奧氏體充分轉變，并產生較強的二次硬化作用，進而獲得穩定的組織和很高的硬度，最終熱處理后其室溫硬度可達60HRC以上。因其具有高的抗咬性、耐磨性和尺寸穩定性，廣泛用于制造在-70～450 ℃溫度范圍內大氣、液壓流體中工作的鞍座、襯套、柱塞、滑閥偶等儀表用摩擦零件。本工作通過金相分析、硬度測試等技術手段，研究熱處理對9Cr13Mo3Co3Nb2V顯微組織和力學性能的影響。

1 實驗材料及方法

實驗用9Cr13Mo3Co3Nb2V的制備流程為：備料→真空感應熔煉→鑄錠→退火→扒皮→鍛造開坯→棒材→退火→檢驗→入庫。實驗材料選用鍛造退火態(850 ℃×2 h，爐冷至300 ℃出爐)的φ24 mm棒材，其化學成分見表1，布氏硬度為244～249 HBW。

表1 實驗用鋼的化學成分(質量分數/%)

對這種不銹鋼的主要性能要求是具有高的硬度和耐磨性，同時在使用過程中硬度及尺寸具有高的穩定性，即要求在熱處理之后獲得穩定的組織和最高的硬度，為此需在淬火之后進行冰冷處理及多次回火，以使殘余奧氏體的轉變及二次碳化物的析出均勻充分；因此，回火溫度是9Cr13Mo3Co3Nb2V獲得穩定組織和高硬度的關鍵因素。熱處理工藝步驟為：(1130±10) ℃真空淬火→(-70±5) ℃冰冷處理→第一次回火→(-70±5) ℃冰冷處理→第二次回火→第三次回火。3次回火的溫度保持一致，回火溫度范圍200～750 ℃。

對9Cr13Mo3Co3Nb2V棒材在淬火、冰冷處理及回火等工藝步驟后硬度的變化規律，以及不同溫度下回火對硬度的影響進行初步研究，獲得實際零件回火處理的合理的溫度參數。采用φ24 mm×20 mm的試樣，硬度值為5個點的硬度平均值。淬火使用高溫真空爐，回火使用中溫電阻爐，組織分析使用Leica-DM6000M型金相顯微鏡，硬度檢測使用HBRV-187.5型硬度計。

2 結果與分析

2.1 熱處理對硬度的影響

試樣經過淬火-冰冷處理-回火-冰冷處理-回火-回火，測試每一熱處理工步后的硬度，其結果揭示了不同回火溫度和工步對材料硬度的影響規律。圖1為9Cr13Mo3Co3Nb2V不同回火溫度下各熱處理工步后的硬度曲線。

由圖1可知，第一次冰冷處理后所有試樣硬度較之淬火后均有所增加，平均增幅約為1.3 HRC；而第二次冰冷處理后所有試樣硬度較之第一次回火后變化不大。可以看到：回火溫度在600～750 ℃區間時，3次回火之后的硬度明顯降低，750 ℃回火時最終硬度值已降至32.4 HRC；相比之下，回火溫度在200～550 ℃區間時，硬度曲線變化較平緩。從圖1中200～550 ℃回火的局部放大曲線可知，在480～520 ℃回火時，硬度達到了最大值，與淬火硬度基本一致，其中520 ℃回火時，最終硬度值達到60.9 HRC。

圖1 不同回火溫度下各熱處理工步后的硬度Fig.1 Hardness after each heat treatment step at different tempering temperatures

將9Cr13Mo3Co3Nb2V鋼最終熱處理硬度與回火溫度的關系描繪成曲線，見圖2。

圖2 最終熱處理硬度與回火溫度的關系Fig.2 Relationship of hardness and tempering temperature

由圖2可以看出，在200～300 ℃回火時，產生了明顯的回火軟化作用；300 ℃以后，于480～520 ℃顯示輕微的二次硬化峰；550 ℃之后，出現了“過時效”現象，硬度迅速下降，至750 ℃時，已接近退火硬度。

2.2 熱處理對組織的影響

圖3為9Cr13Mo3Co3Nb2V不同熱處理工步后的顯微組織。圖3(a)為退火狀態的組織，為珠光體+碳化物；圖3(b) 是經1130 ℃淬火后的組織，為馬氏體+未溶碳化物，碳化物主要是M23C6，MC等[5]；圖3(c)為第一次冰冷處理后的組織，與淬火態無明顯區別；圖3(d)，(e)，(f)分別為500 ℃第一次回火處理、第二次冰冷處理及500 ℃第二次回火處理后的金相組織，為回火馬氏體+未溶碳化物+回火析出碳化物。

圖4為不同回火溫度下完成3次回火后的最終金相組織，均為回火馬氏體+未溶碳化物+回火析出碳化物。正是由于細小的二次碳化物的彌散析出所引起的硬化效應抵消了回火軟化效應，才使得480～520 ℃回火后硬度與淬火硬度基本一致。經過多次冰冷和回火處理，鋼中殘余奧氏體絕大部分轉變為馬氏體，并且伴隨著回火過程中大量二次碳化物的析出，使鋼的硬度達到最大。

2.3 分析討論

由于9Cr13Mo3Co3Nb2V中碳元素及合金元素含量均很高，其馬氏體轉變溫度Ms較低，尤其是在淬火溫度較高時，鋼中合金元素固溶度提高，Ms點更低；因此，9Cr13Mo3Co3Nb2V淬火至室溫時，組織中存在著相當數量的殘余奧氏體，不僅降低硬度，而且在隨后使用過程中存在繼續轉變的可能，進而影響到制件的尺寸穩定性和使用性能。因此，高碳高合金馬氏體鋼在淬火后通常需要進行一次或多次冰冷和回火處理，以使殘余奧氏體盡可能轉變為馬氏體，從而在進一步提高硬度的同時，獲得高的尺寸穩定性[5-6]。從實驗結果來看，第一次冰冷處理后所有試樣硬度較之淬火后均有所增加，而第二次冰冷處理后所有試樣硬度較之第一次回火后變化已不大，說明1130 ℃淬火后一次冰冷處理已可使鋼中殘余奧氏體較為充分地轉變為馬氏體。

圖3 各熱處理工步后顯微組織 (a)退火態；(b)淬火態；(c)第一次冰冷處理；(d)500 ℃第一次回火；(e)第二次冰冷處理；(f)500 ℃第二次回火Fig.3 Microstructure after each heat treatment step (a)annealed；(b)quenched；(c)the first cryogenic treatment；(d)the first tempering at 500 ℃；(e)the second cryogenic treatment；(f)the second tempering at 500 ℃

無論是淬火時形成的馬氏體，還是冰冷處理時形成的馬氏體，組織中均存在很大的內應力，且脆性很大，如不經回火，馬氏體片中由于內應力的存在會產生微裂紋，尤其是高碳鋼開裂傾向更為明顯。對于9Cr13Mo3Co3Nb2V來說，回火處理除降低內應力，改善塑韌性外，還會在回火過程中彌散析出極細小的碳化物，提高鋼的硬度。

9Cr13Mo3Co3Nb2V鋼具有高達0.85%～1.05%的碳含量，一部分C存在于基體中產生相變強化，一部分C結合在碳化物中引起二次硬化，二者均可提高鋼的硬度。此外，鋼中還含有大量的強碳化物形成元素，如Cr，Mo，Nb，V等，四種元素的名義質量分數之和高達19%，其中Mo，Nb，V屬于易于形成二次硬化碳化物的元素。這些元素在淬火過程中回溶進入基體之中，除產生固溶強化外，主要以回火過程中共格析出彌散分布的細小穩定合金碳化物相的形式，提高鋼的回火抗力，促進二次硬化[7-12]。

梁志凱等[2]認為，9Cr13Mo3Co3Nb2V鋼經淬火后，未溶碳化物包括M23C6，MC。與淬火態相比，經過二次冰冷和3次回火處理后，合金碳化物相的種類和數量都發生了較大變化，出現了M3C型碳化物，數量約占2%；M23C6，MC數量均有所提高，分別增加4.5%和14%。因此，回火析出碳化物實際包括MC，M3C和M23C63類，正是由于回火時彌散析出的各類特殊細小碳化物所引起的二次硬化，使得鋼經500 ℃回火后仍具有很高的硬度。在最終熱處理狀態下，Cr的碳化物型式為M3C，M23C6，Nb的碳化物型式以MC為主，Mo，V為MC，M3C和M23C6。

比較圖1中不同回火溫度下完成3次回火后的硬度，可以看出，在回火溫度為200～300 ℃時，3次回火后硬度依次降低，但300 ℃回火硬度明顯低于200 ℃回火硬度，說明低于300 ℃時，尚無明顯二次硬化效應，以回火軟化為主，3次回火逐次產生累積軟化效應；在回火溫度為350～500 ℃時，回火次數對硬度影響不大，但是回火溫度對硬度有較大影響，500 ℃回火時硬度明顯高于350 ℃回火時硬度，說明350 ℃以上回火，出現了明顯的二次硬化效應，3次回火的二次硬化效應已可抵消甚至大于回火軟化效應，至480～520 ℃時出現輕微二次硬化峰值；在回火溫度為520～750 ℃時，3次回火后硬度依次降低，并且隨著回火溫度的升高，這種降低趨勢愈發明顯，說明高于520 ℃時，已出現“過時效”現象，碳化物析出相脫離基體，失去共格、半共格關系，并開始聚集長大，回火軟化效應逐漸占據主導作用[13-15]。

3 結 論

(1)9Cr13Mo3Co3Nb2V淬火后經過二次冰冷和3次回火處理，殘余奧氏體充分轉變，并產生較強的二次硬化效果，進而獲得穩定的組織和高的硬度。

(2)在200～300 ℃回火時，9Cr13Mo3Co3Nb2V產生明顯的回火軟化作用；300 ℃以后，由于二次碳化物的析出，出現了較為明顯的二次硬化作用；550 ℃之后，出現了“過時效”現象，硬度迅速下降。

(3)9Cr13Mo3Co3Nb2V合適的回火溫度區間為480～520 ℃，在此區間回火時，最終回火硬度達到最大值，接近其淬火硬度，其中520 ℃回火時，最終硬度值可達到60.9 HRC。

[1] 趙振業．超高強度鋼中二次硬化現象研究[J]．航空材料學報，2002，22(43)：46-55．

(ZHAO Z Y．Studing status on the secondary hardening phenomenon in ultra-high strength steels[J]．Journal of Aeronautical Materials，2002，22(43)：46-55．)

[2] 梁志凱，馮慎田，李冬玲，等．9Cr13Mo3Co3Nb2V馬氏體不銹鋼微觀組織研究[J]．航空材料學報，2006，26(3)：60-65．

(LIANG Z K，FENG S T，LI D L，etal．Study on the microstructure of 9Cr13Mo3Co3Nb2V Martensite stainless steel[J]．Journal of Aeronautical Materials，2006，26(3)：60-65．)

[3] 張永，馬黨參，劉建華，等．Nb含量對W3Mo2Cr4V(Nb)高速鋼組織和力學性能的影響[J]．特殊鋼，2007，28(3)：44-46．

(ZHANG Y，MA D S，LIU J H，etal．Effect of Nb content on structure and mechanical properties of high speed steel W3Mo2Cr4V(Nb)[J]．Special Steel，2007，28(3)：44-46．)

[4] 李阿妮，厲勇，王春旭，等.Mo含量對AF1410鋼二次硬化效果的影響[J]．鋼鐵，2007，42(9)：60-62．

(LI A N，LI Y，WANG C X，etal．Influence of Mo on secondary hardening behavior of ultra-high strength AF1410 steel[J]．Iron & Steel，2007，42(9)：60-62．)

[5] 王麗君，苗彬，孟先新．Cr12MoV鋼不同熱處理條件下的硬度和金相組織分析[J]．模具工業，2005(9)：52-56．

(WANG L J，MIAO B，MENG X X．Analysis on the hardness and metallographic structure of Cr12MoV steel under different heat treatment[J]．Die & Mould Industry，2005(9)：52-56．)

[6] 楊貴軍，王曉凱，呂鐘毓．Cr12MoV鋼制模具熱處理工藝的選擇[J]．哈爾濱軸承，2010，31(4)：65-67．

(YANG G J，WANG X K，Lü Z Y．Selection of heat treatment process for Cr12MoV steel mold[J]．Journal of Harbin Bearing，2010，31(4)：65-67．)

[7] 康福偉，孫汝葦，張啟鳳．熱處理工藝對35NCD16合金鋼組織和性能的影響[J]．哈爾濱理工大學學報，2014，19(3)：10-14．

(KANG F W，SUN R W，ZHANG Q F．Effects of heat treatment on microstructures and mechanical properties of 35NCD16 alloy steel[J]．Journal of Harbin University of Science and Technology，2014，19(3)：10-14．)

[8] 李阿妮，王春旭，劉憲民．二次硬化型超高強度鋼的發展[J]．材料導報，2007，7(1)：13-16．

(LI A N，WANG C X，LIU X M．Development of secondary-hardening ultrahigh strength steel[J]．Materials Review，2007，7(1)：13-16．)

[9] 趙振業．合金鋼設計[M]．北京：國防工業出版社，1999：157-164．

[10] 李志，賀自強，金建軍，等．航空超高強度鋼的發展[M]．北京：國防工業出版社，2012：58-61．

[11] 鐘平，肖葵，董超芳，等．超高強度鋼組織、性能與腐蝕行為[M]．北京：科學出版社，2014：32-33．

[12] 高振桓，鞏秀芳，徐永鋒，等．12Cr-4Ni-3Mo-V-Nb-N葉片鋼高頻淬火后回火硬化現象[J]．東方汽輪機，2015(1)：65-67．

(GAO Z H，GONG X F，XU Y F，etal．Secondary hardening of 12Cr-4Ni-3Mo-V-Nb-N steel after high frequency quenching and tempering[J]．Dongfang Turbine，2015(1)：65-67．)

[13] 胡正飛，吳杏芳，王春旭．二次硬化合金鋼中多組元強化相M2C碳化物的粗化動力學研究[J]．金屬學報，2003，39(6)：585-591．

(HU Z F，WU X F，WANG C X．Coarsening kinetics of multi-component M2C precipitates in secondary hardening alloy steels[J]．Acta Metallurgica Sinica，2003，39(6)：585-591．)

[14] 蓋全芳，王佳葵．不同淬硬鋼的回火特性[J]．魯東大學學報：自然科學版，2007，23(2)：180-183．

(GAI Q F，WANG J K．Study on tempering effects of hardened steels[J]．Ludong University Journal：Natural Science Edition，2007，23(2)：180-183．)

[15] 胡正飛，吳杏芳，梨秀球，等．高CoNi合金鋼中二次碳化物的析出與轉化[J]．金屬學報，2001，37(4)：381-385．

(HU Z F，WU X F，LI X Q，etal．Precipitation and transformation of the second carbides in isothermal tempered high CoNi alloy steel[J]．Acta Metallurgica Sinica，2001，37(4)：381-385．)

(責任編輯：徐永祥)

Effect of Heat Treatment on Microstructure and Hardness of 9Cr13Mo3Co3Nb2V Steel

HUO Dengping1,LIANG Zhikai2

(1.Inspection & Test Centre, Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065，China; 2.Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095，China)

Effect of heat treatment on the microstructure and hardness of 9Cr13Mo3Co3Nb2V steel was studied systematically by metallographic examination and hardness testing. The results show that after quenching, cryogenic treatment and multiple tempering, the retained austenite of 9Cr13Mo3Co3Nb2V steel is adequately transformed into tempered martensite, and the significant secondary hardening effect is brought. Consequently the steel gains stable microstructure and high hardness. Secondary carbide begins to precipitate and the secondary hardening effect emerges when the tempering temperature is above 350 ℃, and the tempering hardness reaches the maximum value when tempering temperature range is from 480 ℃ to 520 ℃.

9Cr13Mo3Co3Nb2V steel; secondary hardening; heat treatment; microstructure; hardness

2015-12-14；

2016-01-20

霍登平(1970—)，男，碩士，高級工程師，主要從事金屬材料應用技術及產品失效分析等工作，(E-mail)hdp1713@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.6.006

TG142.24

A

1005-5053(2016)06-0035-05