采用金相顯微鏡、掃描電鏡、洛氏硬度計、沖擊試驗，觀察和分析了7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在990～1110℃淬火+180～220℃回火的組織和性能變化。結(jié)果表明：淬火組織為殘留奧氏體和碳化物分布于馬氏體基體上。隨淬火溫度的升高，殘留奧氏體含量和馬氏體過飽和度增加，針狀馬氏體組織變粗，1080℃淬火硬度升高到最大值62.5HRC。沖擊試驗結(jié)果表明：隨回火溫度逐漸升高，試樣硬度有部分下降，但韌性顯著提高，200～220℃時韌性最佳，達到19J/cm2。綜合硬度和韌性考慮，最佳熱處理工藝為1080℃淬火+200～220℃回火。鹽霧試驗表明：1080℃淬火+200℃回火后腐蝕率小于4%，符合使用要求。

不銹鋼作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械特性，廣泛應用于餐具、醫(yī)學用具、試驗用具、裝飾品等。近百年的發(fā)展使得不銹鋼可提供各種特殊性能，滿足不同的服役條件和生產(chǎn)制造的要求。不銹鋼按照組織狀態(tài)可分為馬氏體型不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼，其均具有良好的耐蝕性，可在腐蝕介質(zhì)中保持良好的力學性能。

不銹鋼中發(fā)展最早的就是馬氏體不銹鋼，按成分可分為Cr系(400系列)、Cr-Ni系(300系列)、Cr-Mn-Ni(200系列)及析出硬化系(600系列)。7Cr17馬氏體不銹鋼因含碳量較高，可以在熱處理以后達到較高的強度、硬度、耐磨性和沖擊韌度，用于力學性能要求較高、耐蝕性能要求一般的一些零件上，如彈簧、汽輪機葉片、水壓機閥等。其中高Cr含量(11.5%～18%)是不銹鋼耐腐蝕的重要原因，加入約1%Mo及0.1%V，可以增加7Cr17鋼的耐磨性及耐蝕性，從而形成應用相當廣泛的馬氏體不銹鋼7Cr17MoV，這類鋼是在淬火、回火后使用的。與其類似的鋼種有美國ASTM440A和日本SUS440A，主要用于制作高硬度、高耐磨性的中高檔刀剪產(chǎn)品和醫(yī)療器械。鑒于國內(nèi)對此類鋼的熱處理研究較少，為充分發(fā)揮7Cr17MoV馬氏體不銹鋼的特性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，本文研究了熱處理工藝參數(shù)對7Cr17MoV硬度、沖擊韌度及組織性能的影響，為生產(chǎn)應用提供理論依據(jù)[2]。

1試驗材料、設備及試驗方法

1.1試驗材料及設備

試驗用原材料為厚10mm的7Cr17MoV馬氏體不銹鋼鋼板，其化學成分見表1。供貨狀態(tài)為750℃退火態(tài)，初始組織為鐵素體+球狀合金碳化物，硬度為220HB(約17HRC)。

用線切割機將不銹鋼板切割成55mm×10mm×10mm的標準V型夏比沖擊試樣48個，試樣分成兩組，A組為空白試樣(3個試樣，編號01#)；B組為熱處理試樣(45個試樣，編號分別為02#～16#)。

本文主要研究馬氏體不銹鋼的硬度、韌性和耐腐蝕性等性能。硬度測試使用HR-150A洛氏硬度計，加載砝碼150kg，每個測5次，舍棄最大值和最小值，取余下3次的平均值作為最終結(jié)果。V型缺口沖擊試驗在室溫下利用JB-300擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行，3次重復性試驗取試驗平均值作為最終結(jié)果。鹽霧試驗采用5%的NaCl溶液模擬大氣腐蝕。金相試驗采用DMIE200M金相顯微鏡進行金相組織觀察。斷口形貌采用ZeissEVOMA15掃描電鏡觀察，并采用OxfordInstrument能譜儀進行微區(qū)成分分析。

1.2試驗方法

(1)首先將A組試樣作為空白試樣，分別進行硬度、沖擊韌度測試以及鹽霧試驗測試。

(2)將B組進行5(淬火)×3(回火)正交熱處理試驗。為正確制定鋼的熱處理工藝，參照法國澎湃旗斯鋼鐵公司提供的T7Mo鋼的熱處理工藝(Air1060℃59～60HRC，回火200℃，56～58HRC)。淬火溫度990～1110℃，間隔30℃，保溫25min，油淬，立即測試各試樣硬度并記錄。然后進行180、200和220℃回火處理，保溫2h，空冷，立即進行沖擊硬度測試和沖擊韌度試驗并記錄數(shù)據(jù)。

(3)選取性能兼優(yōu)(硬度和沖擊韌度兼優(yōu))作為B組優(yōu)化工藝試樣Bopt，對其進行鹽霧試驗。

(4)分析對比空白試樣A與Bopt的硬度、沖擊韌度和耐腐蝕性能，利用理論解釋這一性能轉(zhuǎn)變的原因。具體方法有金相試驗分析成分、組織及結(jié)構；SEM觀察表面形貌并進行微區(qū)成分分析。

2試驗結(jié)果及分析

2.1熱處理工藝對試樣硬度的影響

2.1.1淬火工藝對試樣硬度的影響

分別對原始退火態(tài)試樣、990～1110℃淬火后的試樣進行硬度測試記錄，取每大組9個試樣的平均值作為最終淬火硬度�？瞻自嚇�A硬度平均值約17HRC，圖1為不同淬火溫度后試樣硬度變化趨勢�？芍�，7Cr17MoV淬火后，隨淬火溫度的升高，其硬度先增加后降低。990～1020℃淬火時，試樣硬度的變化取決于大量未溶碳化物顆粒的大小、數(shù)量、鐵素體的含量，一些元素如碳、鉻、鉬、釩在組織中的溶解度比較低，在急冷后，存留在馬氏體中的碳及某些合金元素含量偏低，導致淬火硬度不高。隨淬火溫度升高，固溶在鋼中的碳和合金含量開始上升，同時鋼中馬氏體過飽和度增加，導致馬氏體轉(zhuǎn)變后的硬度愈高，淬火硬度愈高，在1080℃左右達到峰值62.5HRC，說明碳化物顆粒均基本溶解，剩余的均勻分布，已基本奧氏體化，合金化程度高，故硬度比較高。但淬火溫度進一步升高時，組織中含碳量及合金含量過高，導致晶粒長大，奧氏體越穩(wěn)定，冷卻轉(zhuǎn)變后殘余奧氏體量增加，淬火硬度反而有所下降。7Cr17MoV中碳、鉻、鉬、釩的增加使鋼的Ms點降低，馬氏體形核減少，也會導致殘余奧氏體量增加，從而硬度急劇下降至60HRC。

2.1.2回火工藝對硬度的影響

在180、200和220℃回火處理時，試樣的硬度隨回火溫度的升高緩慢下降1～5HRC，表現(xiàn)出較好的回火穩(wěn)定性。這是由于7Crl7MoV鋼中含有17%Cr和一定量的鉬和釩等合金元素，且鉻、鉬、釩都是強碳化物形成元素，阻礙了鋼中碳原子的擴散，延遲了鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變過程，推遲了馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變[4]。1080℃淬火時不同溫度回火后的硬度見表2。

對7Cr17MoV進一步做300、400、500及600℃高溫回火發(fā)現(xiàn)，低溫回火硬度逐漸降低，幅度不大，300℃回火時硬度最低為56.3HRC，500℃回火后硬度增大至57.5HRC，隨后又降低，硬度曲線呈馬鞍狀。500℃回火時硬度增加是由于7Cr17MoV材料中具有較高含量的鉻，同時含有鉬、釩等合金元素。這些元素屬于強碳化物形成元素，在滲碳體中大量存在。當回火溫度到達一定區(qū)間內(nèi)，這些強碳化物形成元素在滲碳體中聚集到某一濃度后將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成特殊碳化物。與滲碳體相比，這些特殊碳化物的硬度更高，以高度彌散的顆粒存在于基體中，不易聚集長大，其沉淀硬化導致了材料的硬度升高。但高溫回火會產(chǎn)生馬氏體的分解與合金碳化物的析出，鋼的組織呈屈氏體組織，防銹性能下降，故7Cr17MoV應采用低溫回火來提高韌性并減少硬度損失。

2.2熱處理工藝對沖擊韌度的影響

沖擊韌度試驗數(shù)據(jù)顯示，退火態(tài)7Cr17MoV沖擊韌度為15J/cm2，淬火及200℃回火后的沖擊韌度如表3所示。

淬火后，相對于退火態(tài)母材試樣沖擊韌度急劇減小，試驗數(shù)據(jù)顯示最低至7J/cm2，后經(jīng)回火，沖擊韌度又急劇增加至19J/cm2。由表3可知，經(jīng)淬火、回火后，沖擊韌度隨淬火溫度升高先增大，超過1080℃后又減小。退火時球化處理可以改變碳化物的微觀組織形貌和分布，使組織更加均勻，同時對減少淬火加熱中的熱敏型和變形都有較好的作用。

淬火時，由于較高的淬火溫度，導致淬火后晶粒粗大，油淬急冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，硬度急劇增加，使材料韌性下降至7J/cm2。此外，在淬火冷卻時，由于較快的冷卻速度，材料會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，從而會導致材料的韌性急劇降低。回火的主要目的是降低或者消除應力，確保組織穩(wěn)定轉(zhuǎn)變過程，提高鋼的塑性和韌性，獲得硬度、強度、韌性的適當搭配。因此，在回火后，材料的韌性得到了大幅度提升，在200～220℃回火提升至19J/cm2。

2.3熱處理對耐蝕性的影響

鹽霧試驗(NSS)是在模擬某些特定的潮濕氣候的環(huán)境下，來考查產(chǎn)品、材料及其防護層的抗鹽霧腐蝕能力的試驗。人工模擬鹽霧環(huán)境試驗是在一種具有一定容積空間的試鹽霧試驗箱下進行。在箱體內(nèi)造成鹽霧環(huán)境對馬氏體不銹鋼的耐鹽霧腐蝕性能質(zhì)量進行考核。其鹽霧環(huán)境下的氯化物的鹽濃度是天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，這使得腐蝕速度大大提高，可大大減少對兩種材料進行鹽霧試驗的時間，在天然環(huán)境下對這兩種材料試驗進行試驗腐蝕要1年的時間，在人工模擬鹽霧環(huán)境條件下試驗就只要24h，兩者得到的結(jié)果很相似。

圖2為7Cr17MoV在1080℃淬火+200℃回火后的腐蝕圖。從圖中及相關文獻中可知，試樣表面出現(xiàn)了一定數(shù)量的點蝕，沒有出現(xiàn)明顯的氣泡、裂紋等缺陷。對材料進行腐蝕速率的評級，是將材料的主要表面劃分成5mm×5mm的小格子，通過觀察材料的被腐蝕處占小格子數(shù)量的百分比來評級。根據(jù)腐蝕形貌圖分析得出，7Cr17MoV的腐蝕率小于4%，屬于5級標準，試樣表面腐蝕坑的尺寸大小和數(shù)量都符合要求。這表明在經(jīng)過此熱處理加工工藝后的耐蝕能力是符合要求的。

2.4熱處理對材料組織的影響

圖3為7Cr17MoV鋼1080℃淬火及不同溫度回火后的金相組織。

從上面幾個金相圖及母材狀況中可以看出，這些組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物。7Cr17MoV鋼材在球化退火處理時，使片層珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w。這種珠光體對淬火加熱時奧氏體的形成、滲碳體的溶解、固溶體的碳含量和合金元含量以及奧氏體晶粒的長大與形成都有影響。材料成分分布的均勻性也是影響工件性能的因素之一。在淬火加熱時，均勻的球狀珠光體可以得到細小的奧氏體晶粒。隨加熱溫度的升高，晶粒長大傾向相對減少。因為組織中的碳化物晶粒將變得細小，其分布也均勻化。在奧氏體化時，這些未溶解碳化物將作為核點，起到形核長大、細化組織的作用。隨淬火溫度進一步提升，這些球化的滲碳體溶解速度降低，在奧氏體中碳與合金元素含量開始減少，這就導致了淬火后材料的硬度降低。而淬火后得到的組織為板條馬氏體。從馬氏體和奧氏體的相含量隨回火溫度的變化來看，基體組織變化主要是由于殘余奧氏體在不同回火溫度下轉(zhuǎn)變的量不同。同時，析出相碳化物對力學性能有較大影響。對比幾個圖得知，隨回火溫度升高，組織中的碳化物晶粒先減小后增大，且在200～220℃回火時更加細小，其彌散效應保證了組織擁有足夠的硬度和韌性。同時，組織分布更加均勻，7Cr17MoV這種鋼材的碳含量為0.7%左右，內(nèi)應力較小，所以在較低的溫度下回火，就能去除組織的應力，改善組織的塑韌性，且保持組織在淬火后的高硬度。

2.5沖擊斷口SEM觀察

圖4為母材及不同溫度淬火+回火處理以后7Cr17MoV的沖擊試樣的斷口形貌。可看到斷口有韌窩和細小的微孔以及第二相粒子；且可看出斷口呈微孔聚集韌斷形式，斷裂前期，位錯運動在第二相粒子處塞積，由于應力集中導致界面分離，形成微孔，微孔連接并長大最終發(fā)展斷裂，從而形成斷口韌窩狀。沒經(jīng)過淬火+回火處理的母材斷口韌窩很小，且第二相粒子很多，因此導致裂紋源很多，韌性不高。而1080℃淬火的斷口形貌相對于1010℃淬火的斷口明顯更大更深，由于韌窩是在裂紋形成和擴展過程中塑性變形而形成的，故變形越大，吸收的沖擊功越多，因而沖擊韌度越好。

3結(jié)論

(1)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在990～1110℃淬火時，硬度先增加后減小，且在1080℃出現(xiàn)峰值，最大硬度可達62.5HRC；沖擊韌度則隨淬火溫度升高逐漸降低，在1100℃淬火后急劇降低至7J/cm2左右。

(2)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼在180～220℃回火時，硬度減小緩慢，呈現(xiàn)出較好的回火穩(wěn)定性；韌性則有較大提升，在200～220℃時韌性最佳，最高至19J/cm2。

(3)在鹽霧試驗后7Cr17MoV馬氏體不銹鋼出現(xiàn)一定數(shù)量的點蝕。根據(jù)腐蝕速率評級標準，7Cr17MoV的腐蝕率小于4%，屬于5級標準，符合生產(chǎn)使用要求。

(4)7Cr17MoV馬氏體不銹鋼合理的熱處理工藝為750℃退火+1080℃淬火+200～220℃回火。