马氏体—碳化物钢

马氏体钢具有代表性的钢种是Crl3型钢，主要生产的钢号有1Crl3(410)，2Crl3(420J1)和3Crl3(420J2)。这类钢由于合金成分少(主要是Cr)，含碳量也比较高，冶炼的难度相对来说比较小，既可以用精炼炉冶炼，也可以用电炉冶炼。但是，高碳铬不锈钢是对裂纹敏感的钢种，连铸较困难，在三大类不锈钢中，它是最晚实行连铸的钢类。这类钢中的基础钢种1Crl3(410)是这类钢中最难炼的，其主要问题是如何适当地控制C，Cr，S等化学成分，特别是C和S是对热加工性能有重大影响的元素。

从金相组织划分，1Crl3钢属于半马氏体钢，在常温下是铁素体和马氏体的混合组织。在高温下(热加工温度)也存在α相和γ相组织。热加工时由于两相的变形率不同，造成应力集中，导致铁素体相晶界断裂。因此，这种钢的钢锭开坯时，很容易发生龟裂或角裂，用连铸坯热轧时也容易出现边裂。据资料介绍，两相中铁素体(α相)量在10%～30%的范围内最容易轧裂。而影响两相比例的主要是C、Cr等化学成分。有人认为，含碳量在0.08%～0.12%之间轧裂的敏感性最大。为保证热加工性能，冶炼这种钢时必须对碳、铬含量严格地内控。标准要求这种钢的含碳量为≤0.15%，但是，根据经验，用电炉冶炼、浇铸成5.5t的大钢锭，若钢中含碳量≤0.11%(特别是在Cr量高时)，初轧开坯时往往轧裂。为此，把冶炼含碳量控制在0.12%～0.15%之间，目标成分定为0.13%。然而，这么窄的控制范围不仅给炼钢操作带来困难，而且因为含碳量偏高也影响了冷轧成品的加工成形性，这是这种钢冶炼工艺上的一个难题。

目前国外的厂家大多采用AOD、VOD或转炉复吹法冶炼这种钢，含碳量都控制在0.07%以下(实际上是冶炼0Crl3)，而且基本上又都是采用连铸，所以问题不太突出。

除了含碳量外，硫对产品质量的影响也是不可忽视的。硫高时不仅影响使用性能(如餐具钢的耐盐雾腐蚀性)，而且还容易使钢锭上产生横向裂纹，开坯时造成“裂口”而导致废品。在我们的实际生产中这种情况屡有发生．为此，钢的含硫量要求控制在0.013%以下。对2Crl3，3Crl3等高碳马氏体钢来说．工艺操作上的主矛盾是在浇铸和锭坯的冷却制度上。模铸时，由于钢锭的导热性较差，如温度降到300℃以下再装入均热炉就很容易出现炸裂或穿孔，故这种钢的大钢锭一般都要求热送，保证在300℃以上装炉。在连铸时，铸坯表面易产生凹坑缺陷。板坯冷却中易产生相变裂纹，所以连铸很困难。近年来随着技术的提高，改进了保护渣和冷却制度，这些问题已基本得到解决。不过，目前国内还缺乏这方面的实际生产经验。

属于这一类的不锈钢牌号不多，却是一些含碳比较高的不锈钢，如4Crl3、9Cr18、9Crl8MoV 、9Crl7MoVCo钢等，含碳量偏上限的3Crl3钢在较低的温度下淬火，也可能出现这样的组织。由于含碳量高,上述9Cr18等三个钢号中虽含有较多的铬，但其耐腐蚀性能仅与含12～14%锗的不锈钢相当。这类钢的主要用途是要求高硬及耐磨的零件，如切削工具、轴承、弹簧及医疗器械等。

凡是碳含量小于0.25%的碳素钢或低碳低合金结构钢经强烈淬火，获得80%以上甚至100%低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体钢。一般情况下，含碳量在0.15%～0.25%范围内的钢淬火强化效果好，综合力学性能高。

1．低碳马氏体钢热处理工艺特点

（1）获取低碳马氏体的热处理淬火加热温度为A_c3 （80～120）℃。从淬火强化的效果考虑，适当提高淬火加热温度，有利于奥氏体的均匀化、提高钢的淬透性以及缩短加热时间。

（2）采用激冷、深冷的强烈淬火冷却方法（5%～10%NaCl溶液淬火或10%NaOH溶液淬火）。低碳钢或低碳低合金钢在强烈淬火后可获得低碳马氏体。

（3）低碳马氏体淬火后可不经回火而直接使用。

2．低碳马氏体的微观组织

低碳马氏体的显微组织由不同位向的的马氏体板条组成，板条束间为大角度晶界。由于原奥氏体晶粒被不同位向的板条束所分割，所以材料的有效晶粒得到细化。同时，板条马氏体内有高密度的位错和细小分散呈魏氏组态分布的碳化物，板条马氏体间分布有残余奥氏体薄膜，因而低碳马氏体具有优良的强韧特性。

3．低碳马氏体钢的性能

经过淬火有较低的缺口敏感性、过热敏感性、优良的冷加工性、良好的可焊性且热处理变形小等一系列的优点。低碳马氏体钢经过淬火后，可获得脆性较低而塑韧性足够高的位错板条马氏体加板条相界残余奥氏体薄膜，板条内部自回火析出细小分散的碳化物，因而可实现强度、塑性、韧性的最佳配合，是固熔强化、位错强化、晶界强化和沉淀强化等共同作用的结果。低碳马氏体中温回火后代替中碳（合金）结构钢的调质件，其综合力学性能完全可达到要求，而且不论形状如何复杂，淬火后不易变形、开裂，这样不仅可给后工序少留加工量，而且给机加工也带来好处。低碳马氏体钢由于含碳量较低，钢的M_s点较高，在淬火过程中就伴随着自回火现象，因而可以省去回火工序，从而节约能源，降低成本，缩短加工周期。

低碳马氏体钢是典型的强塑韧配合材料，用处非常广泛。

马氏体钢主要是600MPa 以上的一些高强度钢种，如800MPa 以上级别的工程机械用钢，600MPa以上级别的压力容器和储罐用钢等。一般有在线淬火 回火及轧后淬火回火（调质处理）两种生产工艺。马氏体的高强度是由于高密度的位错，细小的孪晶，碳的偏聚，以及马氏体正方度的间隙固溶等。低碳马氏体的形态基本上是板条状，板条状之间是小角度晶界，板条内有很高的位错密度，有时还能见到孪晶马氏体分布于板条之间。但淬火后的马氏体的塑韧性较差，一般马氏体钢在淬火后都要通过回火工艺以调整钢的强韧性匹配，典型组织如图《马氏体钢典型金相结构》所示。

刀剪材料中碳化物的有效控制对提高产品的性能具有重要作用，国产优质刀剪用高碳马氏体不锈钢由于存在较多粗大的一次碳化物，导致产品在硬度、耐磨性、锋利度等方面远低于国外产品。本项目拟结合优质刀剪用高碳马氏体不锈钢的生产工艺，研究凝固组织控制对一次碳化物的影响；研究在气氛保护电渣重熔过程中Ti和稀土元素对一次碳化物的影响机理；揭示一次碳化物的析出、转变和遗传规律。提出控制一次碳化物数量、形貌、尺寸和分布的关键工艺措施。通过控制合理的热处理工艺，降低一次碳化物危害性，同时使适量的二次碳化物均匀弥散的析出。此项目的研究，旨在通过科学的生产工艺，控制碳化物的析出、溶解和分布规律，提高刀剪材料锋利度、耐磨性和疲劳抗力，这将为我国优质刀剪材料的生产提供必要的理论指导。