淬火溫度對刀剪用M390粉末冶金不銹鋼組織和性能的影響

劉文彬， 喬龍陽， 潘新宇， 程 格， 李愛娜， 裴新軍

(陽江職業技術學院 機電系， 廣東 陽江 529566)

Cr13型不銹鋼具有較高的耐蝕性、強度和硬度，是目前在國內，特別是在刀剪產業最常用的不銹鋼材料[1-2]。隨著市場對高品質廚用刀具和戶外小刀性能及使用要求的日益提高，刀剪材料逐漸由低碳鋼向高碳高鉻鋼轉變[3]。

M390鋼是通過熱等靜壓工藝生產的馬氏體粉末冶金不銹鋼，與傳統熔鑄鋼材相比，該材料的碳含量與合金含量高，組織細小、成分均勻，克服了合金元素宏觀偏析及碳化物粗大的缺點，且鋼中夾雜物大量減少，具有耐磨、抗壓、韌性好、強度大、耐腐蝕等優異性能，被稱為第三代粉末冶金材料[4-7]，廣泛應用在注塑模具、電子芯片模具、閥體材料以及高品質五金刀剪材料中[8-9]。

若讓M390鋼發揮出優異的綜合性能，必須實施恰當的熱處理工藝。目前國內針對M390粉末鋼的熱處理工藝研究鮮有報道。本文通過研究該鋼種的熱處理工藝獲得最佳的綜合性能，對開發高品質粉末冶金五金刀剪材料和工模具鋼具有重要參考價值。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為進口M390粉末冶金不銹鋼，原始狀態為退火態，其化學成分如表1所示，具有高碳、高鉻和高合金含量等特點。將表1中各元素的含量輸入JMatProV7相圖模擬軟件[10-11]，計算得到M390鋼平衡態下的相圖，如圖1所示。可以看出，M390鋼在平衡態下的物相包括鐵素體和M23C6、M7C3、MC等碳化物，其中M7C3和M23C6由Cr、Fe、Mo、Mn、V及C構成，MC碳化物由V、C、Mo及Cr組成，主要成分為VC。鐵素體開始向奧氏體轉變的溫度為870 ℃，固-液轉變溫度為1240 ℃，在此溫度區間M23C6和MC等碳化物隨著溫度升高，逐步溶入奧氏體中，而M7C3超過1240 ℃時才會溶解。文獻[12]指出，M390鋼中溶入基體的Cr元素超過13wt%，碳化物含量超過20vol%，包括2.5vol% 富V的MC碳化物和17.5vol%富Cr的M7C3碳化物。

表1 M390鋼的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of the M390 steel (mass fraction, %)

圖1 M390鋼在不同溫度下的平衡相(JMatProV7軟件計算結果)Fig.1 Equilibrium phases at different temperatures of the M390 steel (calculated by JMatProV7 software)

采用光學顯微鏡、掃描電鏡和XRD衍射儀等測試手段對M390鋼退火態原始試樣進行表征，結果如圖2所示。由圖2(a)可以看出，M390鋼退火組織由鐵素體基體和大量細小、均勻彌散分布的球形碳化物顆粒組成，還能觀察到少量黑色氣孔(如圖2(b)所示)，尺度約為0.4 μm。使用Image Pro Plus 6.0軟件統計碳化物尺寸分布，結果如圖2(c)所示，碳化物尺寸范圍在0.2～2.4 μm之間，數量為1670個/0.01 mm2，面積分數為17.2%，平均尺寸約1.0 μm。將碳化物按照尺寸大小分成兩組，其中小顆粒組的平均尺寸約0.5 μm，大顆粒組的尺寸約1.1 μm，部分大顆粒發生粘連。經測量，M390鋼退火態的硬度為268.5 HBW。由圖2(d)可見，退火態M390鋼的物相主要包括含鉻鐵素體以及M7C3、MC和M23C6等碳化物，其衍射峰根據Cr7C3、VC和Cr23C6標定，與熱力學計算結果一致。

圖2 退火態M390鋼的顯微組織(a, b)、碳化物尺寸分布(c)和物相組成(d)Fig.2 Microstructure(a,b), carbide size distribution(c) and phase composition(d) of the as-annealed M390 steel

1.2 試驗方法

將退火態M390鋼置于臥式真空氣淬爐(HVGQ-334S)中進行真空淬火，淬火溫度分別為1050、1080、1130和1180 ℃，保溫時間5～10 min，淬火介質為N2，壓力0.5 MPa。淬火后再進行230 ℃×2 h回火。從熱處理后的M390鋼上切取尺寸為5 mm×5 mm×35 mm 試樣，在100 t微機控制電子萬能試驗機上進行抗彎強度測試；采用全自動洛氏-表面洛氏-布氏-維氏硬度計測量試樣硬度，每個試樣測量5個點并取平均值；采用D/max-3C X射線衍射儀測量試樣物相；金相試樣經磨制拋光后，采用10 g FeCl350 mL+HCl+50 mL 乙醇配比的溶液腐蝕1～2 s，然后在智能型倒置光學顯微鏡上進行顯微組織觀察，并用掃描電鏡觀察斷口和顯微結構，利用Image Pro Plus 6.0軟件分析碳化物顆粒的分布和大小；用JMatPro V7軟件計算平衡相圖、物相組成和各相成分，為制定熱處理參數提供參考。

2 試驗結果與討論

2.1 不同淬火溫度下的物相組成

退火態M390鋼中的鐵素體經加熱升溫轉變為奧氏體，部分碳化物溶解到奧氏體中，再經氣淬快速降溫，大部分過冷奧氏體轉變成馬氏體，最后經低溫回火后形成回火馬氏體，此過程中部分碳化物從馬氏體中析出，由于高合金元素和高碳造成馬氏體轉變溫度下降，導致馬氏體轉變不徹底，鋼中有殘留奧氏體組織。圖3為M390鋼經不同溫度淬火和回火后的XRD圖譜。可以看出，不同的淬火溫度下，回火后的物相都含有馬氏體、碳化物和殘留奧氏體。隨淬火溫度升高，物相組成和數量變化不大。碳化物種類與退火態類似，包括M7C3、M23C6和MC等。

圖3 不同溫度淬火及回火后M390鋼的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

2.2 不同淬火溫度對回火后顯微組織的影響

過高的淬火溫度會使晶界析出網狀碳化物或晶界局部熔化，造成晶界強度下降。根據模擬相圖(如圖1所示)，淬火溫度應嚴控控制在1200 ℃以下。圖4為M390鋼經不同溫度淬火和回火后的掃描電鏡照片，可以看出，顯微組織包括隱晶回火馬氏體、碳化物和殘留奧氏體。試樣腐蝕后的組織中殘留奧氏體與馬氏體均呈白色，兩者難以辨別[13]，可隱約看到原始奧氏體晶界(PAG，圖4中圓圈標記處)和細小的碳化物，隨著淬火溫度的升高，部分碳化物的溶解削弱了其對晶界的釘扎作用，原奧氏體晶粒尺寸從14 μm增大到20 μm。未溶解的碳化物抑制了奧氏體晶界在淬火時的長大，因此PAG隨淬火溫度升高而長大的程度較小[14-15]。

圖4 不同溫度淬火及回火后M390鋼的SEM照片Fig.4 SEM images of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering(a) 1050 ℃; (b) 1080 ℃; (c) 1130 ℃; (d) 1180 ℃

由于晶界處能量較高，碳化物容易形核長大，碳原子優先吸附在缺陷較多的晶界碳化物質點上[16]，原始M23C6碳化物溶入奧氏體，淬火及回火后大量均勻析出在原始晶界上，數量明顯多于晶內[17-18]。由于高碳鋼碳化物尺寸、數量等因素對性能有著至關重要的影響，對不同淬火溫度的碳化物進行了統計分析，結果如圖5和表2所示。可以看出，隨著淬火溫度的升高，碳化物顆粒的尺寸增大，球化和多個顆粒連接在一起的程度不斷提高，單位面積的個數減少而所占面積分數不斷提高，碳化物分布均勻性下降。根據統計結果，淬火溫度為1180 ℃時碳化物的平均尺寸較1050 ℃時增大45.9%，數量減少32.7%，而面積分數增加了95.4%，表明隨著淬火溫度的升高，合金元素和C的擴散系數及形核驅動力不斷提高，初生碳化物吸收周圍合金元素與C的能力增強，因而碳化物顆粒尺寸不斷增大，除部分碳化物溶入奧氏體外，其余保留在淬火和回火組織內。同時淬火和回火產生大量超細二次碳化物(如圖4箭頭所示)，造成碳化物尺寸分布呈現雙峰特征，1050 ℃和1080 ℃下超細碳化物尺寸約0.4～0.5 μm，1130 ℃和1180 ℃下超細碳化物尺寸增大到0.6～0.8 μm。同時大顆粒碳化物的尺寸也隨著淬火溫度升高而向大尺寸方向偏移。1130和1180 ℃淬火時奧氏體中溶解的碳化物多于淬火和回火產生的二次顆粒，而1050和1080 ℃淬火時碳化物溶解少而析出較多，因此單位面積的碳化物數量在減少，但1130和1180 ℃淬火時晶粒長大的程度高于數量減少的速度，碳化物所占面積快速增加。

圖5 不同溫度淬火及回火后M390鋼的碳化物分布Fig.5 Distribution of carbides in the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering(a) 1050 ℃; (b) 1080 ℃; (c) 1130 ℃; (d) 1180 ℃

表2 不同溫度淬火及回火后M390鋼的碳化物分析

圖6為淬火溫度為1080 ℃時M390鋼的背散射SEM照片，與二次電子SEM照片不同，可以觀察到大量黑色球形小顆粒彌散分布在基體上。為了解其成分組成與其它碳化物的不同，分別對黑色顆粒(Z1)、灰色大顆粒(Z2)、淺色小顆粒(Z3)和基體(Z4)進行能譜分析，結果如表3所示。可以看出，Z1處V含量遠遠高于其它區域，可以確定該碳化物是(V, M)C，Z2處的Cr含量高，而Z3處的C含量較低，表明其碳化物類型不同，Z4處的合金元素含量不高，為馬氏體基體。

圖6 1080 ℃淬火及回火后M390鋼的BSE照片Fig.6 BSE image of the M390 steel after quenching at 1080 ℃ and tempering

表3 圖6中各區域的能譜分析(原子分數，%)

2.3 不同淬火溫度對合金力學性能的影響

2.3.1 硬度

相對于傳統刀剪用鋼，粉末冶金不銹鋼的碳化物含量高，且彌散分布，保證了材料的高硬度。圖7為M390鋼經不同溫度淬火和回火后的硬度，可以看出，不同淬火溫度下M390鋼的硬度都超過了56 HRC。淬火后的硬度隨著淬火溫度的升高先增加，并在1130 ℃時達到最大值(60.2 HRC)，隨后略有降低。而回火后的硬度均較淬火硬度有不同程度的回落，其中1050和1080 ℃淬火時分別下降2.2 HRC和2.0 HRC，1130 ℃ 淬火時下降了1.7 HRC，但仍為最大的回火硬度(58.5 HRC)，而1180 ℃淬火時下降了1.1 HRC。對比圖3可知，在一定溫度下，淬火溫度對殘留奧氏體的含量影響不大，因此1130和1180 ℃淬火時硬度較高的主要原因在于高溫固溶強化作用，使得回火馬氏體基體強度高。再者碳化物的數量雖然少，但其所占面積分數遠高于1050和1080 ℃淬火的試樣，雖然1050和1080 ℃淬火的合金中存在著大量細小的碳化物，起到釘扎晶界阻礙位錯運動的作用，產生一定的沉淀強化[19]，但遠不及高溫淬火時合金元素的固溶強化作用大。

圖7 不同溫度淬火及回火后M390鋼的硬度Fig.7 Hardness of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

2.3.2 抗彎強度

抗彎強度一般用來表征脆性材料的強度，它是材料的拉伸強度、壓縮強度、塑性和韌性等的綜合性能體現，且受氣孔、夾雜、裂紋等缺陷的強烈影響，直接反映了材料制備的工藝水平。圖8為M390鋼經不同溫度淬火和回火后的抗彎強度，對應的斷口形貌如圖9 所示。由圖8可以看出，淬火溫度對M390鋼的抗彎強度影響很小，1050、1080和1130 ℃淬火時的抗彎強度都高于4000 MPa，而1180 ℃為3930 MPa，但數值波動性明顯好于1130 ℃淬火。由此可見M390鋼經過淬火和回火后，均勻分布的細小碳化物起到第二相強化作用，有效抑制裂紋的擴展，提高基體材料的變形能力，具有良好的強韌性配合，抗彎強度呈現很高的數值[20]。這也反映出熱等靜壓粉末冶金不銹鋼材料致密、缺陷少和性能穩定的優點。

圖8 不同溫度淬火及回火后M390鋼的抗彎強度Fig.8 Flexural strength of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

圖9 不同溫度淬火及回火后M390鋼的彎曲斷口形貌Fig.9 Bending fracture morphologies of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering(a) 1050 ℃; (b) 1080 ℃; (c) 1130 ℃; (d) 1180 ℃

由圖9可以看出，不同溫度淬火和回火后M390鋼的斷裂機制都為韌性斷裂，由碳化物和韌窩組成，碳化物顆粒呈球形分布在韌窩上，尺寸大多小于2 μm。不同淬火溫度下的韌窩差別較小，鮮有解理面和穿晶斷裂。隨著淬火溫度的升高，韌窩深度有所增大。另外，在1130 ℃淬火的斷口上發現少量裂紋缺陷，反映在抗彎強度上表現為數值波動幅度增大，存在較大裂紋缺陷的試樣抗彎強度明顯下降。

綜合以上顯微組織和力學性能的綜合分析，1130～1180 ℃真空氣淬+200 ℃低溫回火是刀剪用M390鋼的最佳熱處理工藝。

3 結論

1) 進口M390粉末冶金不銹鋼的退火組織包括鐵素體基體和大量細小、均勻彌散分布的球形M7C3、MC等碳化物顆粒，碳化物平均尺寸約為1.0 μm。根據計算所得相圖，鐵素體開始轉變為奧氏體的溫度為870 ℃，固液轉變溫度為1240 ℃，因此淬火溫度要控制在1200 ℃以下。

2) M390鋼淬火和回火后的組織包括隱晶回火馬氏體、多種碳化物和殘留奧氏體。隨著淬火溫度的升高，原始奧氏體晶粒尺寸和碳化物尺寸不斷長大，碳化物顆粒球化和多顆粒粘連接在一起的程度加大，單位面積的碳化物顆粒數量減少而所占面積分數提高，碳化物分布均勻性降低。不同形狀、尺度和顏色襯度的碳化物內部所含合金成分有較大差異。

3) 隨著淬火溫度的升高，M390鋼淬火后的硬度逐漸增加，1130 ℃時達到60.2 HRC，為最大值，隨后略有降低。回火后的硬度均較淬火硬度有不同程度的回落，下降幅度不超過2 HRC，1130 ℃淬火試樣的回火硬度最高，為58.5 HRC。

4) 淬火溫度對M390鋼淬火和回火后的抗彎強度影響很小，均接近或大于4000 MPa，具有良好的強韌性匹配。彎曲斷口呈現韌性斷裂特征，由開裂的碳化物和韌窩組成，隨著淬火溫度升高，韌窩深度增加。

致謝：感謝博樂特殊鋼(上海)有限公司佛山分公司、東莞市益德精密模具有限公司、東莞市禾盛金屬科技有限公司和陽江市質量計量監督檢測所對試驗的大力支持！