TAM210A時效鋼18Ni1900馬氏體時效鋼 雙真空冶煉工藝

TM210A鋼為18Ni系列新型300級超高強度馬氏體時效鋼,具有較高的強韌性指標 。國內多采用VIM+VAR工藝冶煉， 雙真空熔煉(VIM+VAR)：用VIM法生產的鋼作VAR的電極，該電極自耗重熔后其純凈度又一次提高，同時改善內部組織結構使之更均勻。其氧含量達8×10-6以下，與脫氣鋼比，它的材料致密度高，晶粒細小均勻，大大提高了力學性能。以上是優(yōu)先，缺點就是成本高了。以無碳（或微碳）馬氏體為基體的，時效時能產生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。與傳統高強度鋼不同，它不用碳而靠金屬間化合物的彌散析出來強化。這使其具有一些的性能：高強韌性，低硬化指數，良好成形性，簡單的熱處理工藝，時效時幾乎不變形，以及很好的焊接性能。因而馬氏體時效鋼已在需要此種特性的部門獲得廣泛的應用。

TM210A鋼是冶金部鋼鐵研究總院研制出的目前強韌性能的馬氏體時效鋼，本鋼種的研制成功為我國18Ni馬氏體時效鋼的系列化提供了新品種。該材質的鍛件都為重要受力件，主要以齒輪為主，因此對這種材料內部質量要求很高。由于TM210A這種材料價格昂貴，所以鍛件加工余量一般比較小。先要求原材料合格，故對原材料鋼棒也進行超聲波探傷，按照標準HB／Z59超聲波檢驗質量等中的AA驗收，不允許有線形缺陷存在。原材料表面光潔度差，但驗收等高，這要求超聲波探傷儀及探頭的綜合靈敏度高、分辨力高，儀器水平線性、垂直線性好，定性定量準確。

TM210A馬氏體時效鋼化學成分：碳C: ≤0.015;鎳Ni: 17.50~18.50;鈷Co: 9.50~10.50;鉬Mo: 4.20~4.80;鈦Ti: 0.82~1.02;鋁Al: 0.05~0.15;鐵Fe: 余量。

TAM210A馬氏體時效鋼是超高強度鋼中的一種。這種鋼突出的優(yōu)點是熱處理工藝簡單方便，固溶后先進行機械加工再進行時效，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。馬氏體時效鋼的熱處理工藝及性能見下表。近年來，國外用馬氏體時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內，由于馬氏體時效鋼含Ni、Co等貴重金屬元素，且含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具。

既具有高的延性、韌性又能產生超高強度的鋼種是馬氏體時效鋼，研發(fā)這種鋼的材料學思路是高純凈、高鎳、超低碳的鋼。這樣，即使在較小的冷卻速度下也能淬火獲得馬氏體組織和具有優(yōu)良的沖擊抗力及斷裂韌性。三種主要馬氏體的時效鋼是：

Nil8馬氏體時效鋼

這種鋼有三種型號，其屈服強度分別為1350MPa、1650MPa和1950MPa，這類鋼的雜質含量很低，需要經一次或二次真空冶煉。并含有0.003%B、0.002%Zr和0.005%Ca以清除雜質并幫助改善熱塑變加工性能。

熱處理工藝包括850℃～870℃固溶處理，空冷或水淬，再在480℃時效3h。除了Co之外，加入的合金元素都降低Ms點，但可保持Mf點高于室溫，這樣固溶化后淬冷下來都能全轉化為馬氏體。時效析出硬化相主要是小片狀

，但也有一些

。嚴重過時效也能生成

，Co的作用是加強

引起析出硬化，而Mo則是時效硬化的主要元素。

調整時效溫度、時間，可獲得不同的強度。時效溫度過高(>600℃)，因鋼的

點低，會引起奧氏體形成，這種奧氏體由于高度合金化，使Ms點降低到室溫以下，而穩(wěn)定的保留下來。如果需要高強度，可以在時效前對原低碳馬氏體進行50%形變量的冷塑性變形加工。

在高抗拉強度下，這種鋼仍具有優(yōu)良的沖擊韌性，而且具有強化缺口的作用，其缺口強度與抗拉強度之比在1．35～1．65之間。時效前進行50%的冷變形加工，可將上述名義強度提高到1700 MPa、2000 MPa和2100MPa。

Ni20馬氏體時效鋼

鋼的雜質含量與Nil8鋼相似，但Ni含量較高，時效硬化元素不用Mo和Co，而是用1．5%Ti、0．25%A1和0．5%Nb來產生。這種鋼的Ms點比Nil8鋼低，但固溶處理淬冷到室溫后仍可充分發(fā)生馬氏體轉變。可在一78℃下冷卻處理或通過冷塑性變形(冷塑性變形可提高Ms點)來完成，這種鋼正常的時效硬化相是

和

。

Ni25馬氏體時效鋼

這種鋼含25%Ni和1．5%Ti、0．25%A1或0．5%Nb(亦可Al、Nb并用)，Ms點低于或接近室溫。固溶處理后鋼的組織基本是奧氏體，所以應在時效前將其轉化為馬氏體，為此可以采用兩種方法：

(1)奧氏體時效：加熱到700℃保持4h使其從奧氏體中析出

或

。于是奧氏體合金含量降低，Ms點上升，隨后冷卻時奧氏體大部分轉化為馬氏體。如在時效硬化處理(480℃，3h)之前進行一78℃冷處理，即可保證馬氏體轉變。700℃的奧氏體時效，由于形成

，使奧氏體硬化。但

相在

相變時會失去共格性，而且在隨后馬氏體時效硬化時，可以利用的Ti，Al都減小了，所以強度要低些。馬氏體時效處理時的析出相是η-

。

(2)冷塑變形加工加冷處理：奧氏體冷塑變形加工，變形量應大于25%，才能提高Ms—

的溫度區(qū)段，使該鋼在一78℃(干冰)或一196℃(液氮)冷處理時完成馬氏體轉變，這種加工處理充分發(fā)揮合金元素的析出硬化作用，可獲得強度高于奧氏體的時效處理

TAM210A生產工藝

主要生產工藝有冶煉、熱加工、冷加工、焊接、熱處理和表面處理。

TAM210A冶煉

一般采用真空感應爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對于強度級別在1500MPa以下的鋼種，可以采用非真空冶煉，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對高強度級別和用途重要的鋼種，必須采用雙真空冶煉工藝。在真空自耗重熔時，應嚴格控制電流和熔池溫度，以免鋼錠產生嚴重的枝狀偏析。

TAM210A熱加工

馬氏體時效鋼在高溫下具有良好的熱塑性，其熱加工性與1Crl8Ni9Ti大體相同。對于鈦、鉬含量較高的鋼種，鋼錠凝固時容易發(fā)生這些元素的微觀偏析，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結構。減輕或消除微觀偏析的有效措施，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時進行充分的高溫均質化處理。為了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性，熱加工后應盡量避免工件在1100～750C溫度區(qū)間內緩冷或停留。為了獲得細晶粒和較佳力學性能，終鍛應在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25%)完成。

TAM210A冷加工

在固溶狀態(tài)下冷加工性非常好。拉拔、冷軋、彎曲、深沖等加工都容易進行。鋼的加工硬化指數為0.02～0.03，與普通鋼相比低一個數量級。因此，加工過程中無需軟化退火即可進行90%以上變形量的冷加工。

TAM210A焊接

良好的焊接性是馬氏體時效鋼的優(yōu)點之一。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同，焊前不必預熱，焊后不處理也不會產生裂紋，直接時效后，接頭系數即可超過90%。

TAM210A熱處理

熱處理工藝簡單是馬氏體時效鋼的另一重要優(yōu)點。鋼經熱加工后，在冷加工和時效強化之前應進行固溶處理。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強化元素；并獲得均勻的高位錯密度的全馬氏體組織。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時間為每25ram厚度1h，固溶后空冷，冷卻速度對組織和性能影響不大。馬氏體時效鋼的高強度是通過時效處理得到的。時效溫度一般為480℃，強度級別高的鋼種可采用510¨C，時效時間為3～6h，時效后空冷。時效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質點，使材料強度成倍提高而韌性損失較小。

馬氏體時效鋼的性能還可通過奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結合得到提高。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下，從而得到具有一定延性的，強度大于3500MPa的馬氏體時效鋼。在固溶后和時效前進行的馬氏體形變處理，由于產生更多的位錯，通常可使強度提高200MPa。固溶前的馬氏體形變，能細化奧氏體晶粒并增加鋼時效后的強度。

TAM210A表面處理

如果不進行表面處理，馬氏體時效鋼的耐磨性和疲勞強度并不比普通高強鋼好。因此對于這種用途的零件，必須進行表面處理(氣體滲氮、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上。

應用馬氏體時效鋼已在包括火箭發(fā)動機殼體，殼體，鈾同位素離心分離機的高速轉簡，直升飛機起落架，高壓容器，轉軸，齒輪，軸承，高壓傳感器，緊固件，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模，精密模具，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應用。