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(yè)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(yè)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(tǒng)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(yōu)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(fā)揮出優(yōu)異的綜合性能，必須實施恰當?shù)臒崽幚砉に嚒Ｄ壳皣鴥柔槍390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(fā)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(tài)為退火態(tài)，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(tài)下的相圖，如圖1所示。可以看出，M390鋼在平衡態(tài)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(qū)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(shù)，%)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(tài)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(tǒng)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(shù)量為1670個/0.01 mm2，面積分數(shù)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(fā)生粘連。經測量，M390鋼退火態(tài)的硬度為268.5 HBW。由圖2(d)可見，退火態(tài)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(jù)Cr7C3、VC和Cr23C6標定，與熱力學計算結果一致。

圖2 退火態(tài)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(tài)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(shù)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(tài)M390鋼中的鐵素體經加熱升溫轉變?yōu)閵W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(shù)量變化不大。碳化物種類與退火態(tài)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(jù)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F(xiàn)ig.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(yōu)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(shù)量明顯多于晶內[17-18]。由于高碳鋼碳化物尺寸、數(shù)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(tǒng)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(shù)減少而所占面積分數(shù)不斷提高，碳化物分布均勻性下降。根據(jù)統(tǒng)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(shù)量減少32.7%，而面積分數(shù)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(shù)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(xiàn)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(shù)量在減少，但1130和1180 ℃淬火時晶粒長大的程度高于數(shù)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(qū)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F(xiàn)ig.6 BSE image of the M390 steel after quenching at 1080 ℃ and tempering

表3 圖6中各區(qū)域的能譜分析(原子分數(shù)，%)

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(tǒng)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(shù)量雖然少，但其所占面積分數(shù)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(xiàn)，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(shù)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(xiàn)很高的數(shù)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(wěn)定的優(yōu)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(fā)現(xiàn)少量裂紋缺陷，反映在抗彎強度上表現(xiàn)為數(shù)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(jù)計算所得相圖，鐵素體開始轉變?yōu)閵W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(shù)量減少而所占面積分數(shù)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(xiàn)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(jiān)督檢測所對試驗的大力支持！