Mo含量對沉淀硬化不銹鋼組織及力學性能影響

付錦江, 王國星（通信作者），戈秀婷，曹 博，張志成，彭 飛

（1黑龍江工程學院材料與化學工程學院 黑龍江 哈爾濱 150050）

（2北京科技大學材料科學與工程學院 北京 100083）

0 引言

鋼鐵材料以其優異的強度、硬度、韌性等性能成為工業生產中四大材料之一，在使用質量上穩居四大材料之首，因此，一個國家工業化水平的高低取決于鋼的產量。不銹鋼是鋼鐵材料中一種特殊的Fe-C合金，因其擁有優良的耐磨性、耐腐蝕性，強韌性和良好的可加工性，在宇航、軍工、海洋、化工和能源等方面被廣泛地應用。由于其特殊的性能，在不同類型的不銹鋼中也占有重要的一席之地。沉淀硬化不銹鋼的化學成分一般不超過18-8鎳鉻系奧氏體不銹鋼的鎳和鉻含量，含碳量也較低，經過適當熱處理后即可獲得優良的力學性能及較好的耐蝕性能、焊接性能和良好的沖擊韌性，被制作成齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉子、泵件等部件廣泛應用于核工業、航空及航天等領域[1-4]。其室溫條件下的基本組織可以為奧氏體、鐵素體和馬氏體，經過適當的熱處理，通過碳化物和金屬間化合物在基體沉淀，使不銹鋼強化的一類不銹鋼[5]。雖然沉淀硬化不銹鋼被廣泛應用于各種領域中，但其價格十分高昂，使得這類鋼材在一些普通且小型的工業上的使用的很少[6]。Mo元素是不銹鋼中不可或缺的重要元素之一，主要作用：固溶強化作用；時效強化即回火硬化作用；提高鋼的耐腐蝕性能。其中最主要的是Mo的加入形成了細小的Mo2C相或Fe2Mo相，增加了二次硬化效應。同時，在不銹鋼中Mo元素能促使不銹鋼表面鈍化，能進一步提高對有機酸以及過氧化氫、硫酸、亞硫酸、硫酸鹽等的耐腐蝕性，特別可以防止氯離子引起的局部點腐蝕行為。一般來說，鉻含量越高，Mo提高鋼耐點蝕性能效果越明顯[7-9]。

沉淀硬化不銹鋼的研制最早開始于20世紀30年代。由于沉淀硬化不銹鋼優異的性能，國內外學者針對其進行了大量的研究。大多研究的熱處理方式為固溶處理和時效處理，也有關于軋制工藝的研究。通過觀察組織分析組織類型、形態、大小和分布，通過各種試驗來測試不銹鋼的力學性能、耐腐蝕性等，來分析不同工藝參數下材料的特性[10-11]。但是很少有人針對Mo元素含量對沉淀硬化不銹鋼性能進行研究，因此，本文制備了一種不含碳的沉淀硬化不銹鋼，以Mo元素含量為變量研究其對沉淀硬化不銹鋼組織和性能的影響。

1 試驗材料與方法

本文設計了3種成分的沉淀硬化不銹鋼，分別標記為M0（0%Mo）、M4（4%Mo）和M7（7%Mo）。實驗為了減少雜質進入合金中，Fe（余量）、Co（5%）、Cr（12%）、Mo、Nb（1%）和Ni（7%）元素的純度為99.90 wt.%，Mo元素純度為99.95 wt.%。其中Si（0.2%）元素采用FeSi合金添加進行熔煉。熔煉后采用ICP檢測，測的化學成分與設計成分相當。

試驗中，每個合金鑄錠按照450 g進行配料，然后放入電弧爐銅坩堝中，由于各個合金元素熔點等特性不同，合金放置順序有所差別。首先將FeSi中間合金放入坩堝底部，并在其上部覆蓋一層Fe以確保其能溶解；隨后，將Ni、Cr元素放置在中間部位，減少熔煉對其質量損耗；將高熔點Mo、Co、Nb等合金元素放在最頂部。利用機械泵和分子泵抽真空，真空度達到5.0×10-4Pa后，充入高純氬氣進行保護。然后進行熔煉Ti鑄錠進行除氧操作后，在進行熔煉合金原料。為了充分均勻化合金元素，熔煉過程中進行磁攪拌，并反復熔煉5次，然后轉入倒吸鑄坩堝，利用機械泵吸鑄入直徑為20 mm的水冷銅模內進行冷卻成型。之后將得到的試樣進行打磨，去掉表面的宏觀缺陷和氧化皮，然后在軋機進行熱軋，其過程是：均勻化溫度1 200 ℃，保溫1 h，開軋溫度1 200 ℃，終軋溫度1 050 ℃，共軋制3道次 ，每道次保溫10 min，軋制完成后水冷。然后冷軋12個道次，最終材料由棒材熱軋至6.5 mm的板材再冷軋為2.5 mm厚度板材，壓下率為61.5%。軋制后將軋板采用電火花機床切割成金相、硬度、XRD和拉伸試樣。

金相、硬度、XRD試樣依次采用180#、400#、600#、1 000#、2000#的金相砂紙上粗磨細磨，然后使用2.5 μm金剛石拋光劑在拋光機上進行拋光。拋光后的試樣超聲清洗吹干置于干燥皿備用進行XRD測試。XRD測試采用DX-2700X射線衍射儀進行，采用銅靶，試驗后數據采用Jade軟件進行分析。

金相和硬度用拋光后試樣用三氯化鐵鹽酸水溶液作為腐蝕劑，用鑷子夾取試樣放入腐蝕液中浸泡2 min，用去離子水沖洗后吹干進行金相組織觀察和硬度測試。二者分別采用JEOL JSM-6510A掃描電子顯微鏡和HVS-5顯微維氏硬度計測試。硬度測試施加載荷為500 g，力保持時間為15 s，所有試樣的硬度測試數據取三個點的平均值，若三個點的硬度差別較大進行第四、五點的測量。

拉伸試樣采用砂紙對表面進行打磨，采用WDW-100微控電子萬能試驗機進行單向靜載拉伸測試，加載采用位移控制，速度為2 mm/min，拉伸測量都測量三個平行試樣。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織分析

圖1分別為含Mo量0%、4%、7%的試樣500倍掃描電鏡二次電子成像組織圖，電鏡工作距離為13 mm，工作電壓為15 kV。

圖1 三種成分掃描電鏡組織圖

通過圖1可以清楚地觀察到不銹鋼的顯微組織形貌：Mo含量為0%和7%的沉淀硬化不銹鋼，其顯微組織均勻寬大，這種分布均勻地組織呈板條狀和塊狀間隔分布，其主要成分可能是馬氏體，同時可能含有部分少量的為鐵素體。從不含Mo不銹鋼掃描電鏡微觀圖中我們也可以看到其晶界區分不是那么明顯，當Mo含量達到7%時，晶界已經清晰地表現出來。觀察Mo含量為4%的不銹鋼掃描電鏡微觀圖，其中白點可能為腐蝕殘留也可能是腐蝕后的物質。并且從三種成分的對比圖也可以看到Mo含量為7%的不銹鋼耐腐蝕性能更好些。

2.2 XRD試驗結果

XRD主要適用于物質內的礦物成分以及晶相結構的分析，圖2分別為三種成分沉淀硬化不銹鋼XRD圖譜。

圖2 不同Mo含量的不銹鋼XRD圖譜

根據Jada軟件擬合分析，M0可以看到不含Mo的不銹鋼主要成分為Fe和Fe-Cr-Ni合金，從M4可以看到Mo含量為4%的不銹鋼主要成分有Fe、Cr和Ni元素，其中Fe元素的含量多一些。而根據Jada軟件擬合分析圖M7可以看到Mo含量為7%的不銹鋼主要成分是Fe元素和Ni元素。Cr成分相比于Mo含量為4%的不銹鋼來說相對少一些。結合對不銹鋼的顯微組織分析，從整體圖可以知道三種試樣的峰發生了重疊現象，由此可見，三種不同Mo含量的不銹鋼成分大致相同。峰強和寬度有差異說明成分有一定差異。

2.3 硬度試驗結果

從圖3可以看出：無論是軋制面的硬度還是橫向面的硬度，隨著Mo含量的增多，不銹鋼的硬度都隨之增大，且二者差別不大。從中可以明顯發現Mo含量為7%的不銹鋼硬度最大。軋制面硬度相比0%含Mo量4%、7%含Mo量分別提高了16%、24%，橫向面硬度相比0%含Mo量4%、7%含Mo量分別提高了18%、30%。因此，在此種不銹鋼中添加Mo元素可以顯著地提高不銹鋼的硬度。

圖3 維氏硬度曲線

2.4 拉伸試驗結果

通過拉伸試驗可以更加全面地反映Mo含量對此種不銹鋼的力學性能的影響。如圖4為三種成分不銹鋼的抗拉強度和屈服強度對比曲線。從圖中可以看到隨著Mo含量的增加，不銹鋼的抗拉強度和屈服強度均增加。抗拉強度依次為1 032 MPa、1 195 MPa、1 276 MPa，其中，Mo含量為7%的不銹鋼抵抗變形的能力最好，Mo含量為0時抗拉強度最低。Mo含量從0到7%時，其抗拉強度依次增加16%、23%，可見Mo含量對抗拉強度影響巨大。從圖中還可以看出，三種成分的屈服強度與抗拉強度比較接近，且斷裂前沒有明顯的屈服變形階段，隨著Mo含量增加脆性增大。

圖4 試樣抗拉強度與屈服強度曲線

比較室溫下不同Mo含量對不銹鋼塑性變形指標截面斷后伸長率的影響。三者拉伸斷后對應的斷后伸長率依次為8.25%、6.4%、4.75%。從中可以看出隨著Mo含量變化，斷后伸長率不斷下降，從最初的8.25%下降到4.75%，Mo含量為7%的不銹鋼試樣的斷后伸長率是最低。結合拉伸強度曲線說明其復合材料的強度與塑性是一對矛盾的性能指標的規律，此類材料的強度越高其塑性越差，傾向于靜載拉伸試驗發生脆性斷裂。

3 結語

本文設計熔煉的不含碳、不同含Mo量不銹鋼為一種新型高強度沉淀硬化不銹鋼。通過金相組織觀察、XRD分析及力學性能的硬度和拉伸測試可以看出：不同的Mo含量對不銹鋼的組織和性能具有巨大的影響。隨著Mo含量的增加，不銹鋼的硬度、抗拉強度、耐腐蝕性能均有所提高，尤其是不銹鋼的硬度和抗拉強度有了顯著提高，而相反不銹鋼的塑性有所下降，所有的不銹鋼斷裂沒有明顯的屈服變形階段，體現出了明顯的脆性斷裂特點。作為一種沉淀硬化不銹鋼需要進行固溶和時效處理才能更加充分進行沉淀相析出，發揮沉淀相的微觀強化作用，從而更進一步提高不銹鋼的強度和硬度，其他性能也將隨著發生改變，此將作為下一步繼續深入研究的內容。