1 馬氏體時效鋼特性
1.1 馬氏體時效鋼鋼種基本介紹
常用的馬氏體時效鋼是18%Ni馬氏體時效鋼（Fe-18Ni-8Co-5Mo-0.1Ti-0.1Al（mass%））。馬氏體時效鋼經(jīng)固溶處理，組織為奧氏體，在隨后的冷卻中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體組織經(jīng)時效處理發(fā)生析出強(qiáng)化，即馬氏體時效。馬氏體時效鋼有18Ni、20Ni、25Ni等鋼種，但18Ni馬氏體時效鋼的應(yīng)用最多。表1是18Ni馬氏體時效鋼中代表性的化學(xué)成分。
馬氏體時效鋼的基本成分最少有3個元素，可表示為Fe-X-Y。X是發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變需要的元素，一般是奧氏體穩(wěn)定化元素Ni、Co。Y是析出需要的元素，如Y是Mo、Ti，則在鋼中形成金屬間化合物，使鋼強(qiáng)度增加。鋼中析出大量的金屬間化合物是馬氏體時效鋼高強(qiáng)化的有效方法。這些元素的添加量越多，析出強(qiáng)化的效果越大。
1.2 馬氏體時效鋼主要用途概要
與一般鋼種相比，馬氏體時效鋼的力學(xué)性能和加工性能優(yōu)良，并且容易進(jìn)行熱處理，所以廣泛用于宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能、飛機(jī)等高端領(lǐng)域到汽車、各種壓力容器、工具等一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。具體的用途有飛機(jī)發(fā)動機(jī)傳動軸、火箭發(fā)動機(jī)殼體、塑料成形精密模具、汽車的CVT（無級變速器）金屬帶的環(huán)狀部件、高爾夫球桿頭等等。
1.3 18Ni馬氏體時效鋼性能要求
1）物理性質(zhì)
表2是18Ni馬氏體時效鋼的物理性質(zhì)。表2中所列的數(shù)值是18Ni馬氏體時效鋼代表性的物理性質(zhì)，有時不同于實(shí)際制品的物理性質(zhì)，對此應(yīng)予以注意。
2）力學(xué)性能
18Ni馬氏體時效鋼的力學(xué)性能如表3。表中的鋼級250-350是0.2%屈服強(qiáng)度級別（單位kis，1kis約等于7MPa）。強(qiáng)度級別越高的鋼種中析出強(qiáng)化元素含量越大。析出強(qiáng)化量與Mo當(dāng)量（Mo（%）+Co（%）/3+3 Ti（%））成正比。有研究結(jié)果表明，每1%的Mo當(dāng)量可使鋼的強(qiáng)度約提高100MPa。但18Ni馬氏體時效鋼的強(qiáng)度級別主要通過Ti含量的調(diào)整實(shí)現(xiàn)。
YAG285是降低高價合金元素Mo、Co，添加Ti的高強(qiáng)度馬氏體時效鋼。馬氏體時效鋼的強(qiáng)度高、延性大，比強(qiáng)度大，并具有高韌性。此外，加工硬化性小，冷加工性優(yōu)良以及焊接性、切削性優(yōu)良。一般的馬氏體時效鋼的母相成分是基本不含C的Fe-Ni-Co。適量添加Mo、Ti，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到約2000MPa。固溶處理狀態(tài)的馬氏體時效鋼的組織是含有高密度位錯的馬氏體。但由于不含C，硬度為300HV左右，質(zhì)地柔軟，加工性和焊接性良好。時效處理的熱變形小，容易進(jìn)行最終加工，具有高的比強(qiáng)度和良好的加工性。
2 馬氏體時效鋼熱處理
2.1 馬氏體時效鋼主要熱處理
馬氏體時效鋼熱處理由前述的形成馬氏體組織的固溶處理和形成金屬間化合物的時效處理兩個階段組成。固溶處理溫度是800-900℃。在升溫過程中，約從500℃開始，馬氏體發(fā)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變。但事前經(jīng)冷加工，鋼中存在應(yīng)變時，提高加熱溫度，使奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，可使晶粒微細(xì)化。逆轉(zhuǎn)變生成的奧氏體在隨后的冷卻中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度（Ms點(diǎn)）約為200℃，轉(zhuǎn)變終了溫度（Mf點(diǎn)）約為100℃。合金元素含量多，Mf點(diǎn)接近于室溫，所以，如果固溶處理的冷卻終點(diǎn)溫度高，鋼中會殘留殘余奧氏體，導(dǎo)致鋼的抗拉強(qiáng)度下降。岡田等人得出了許多合金元素對Ms點(diǎn)、Mf點(diǎn)影響的公式。
時效處理溫度約為500℃。一般來說，時效處理溫度越低，時效硬度越高，但時效所需時間越長。因此，要根據(jù)鋼的性能要求和制造性要求，確定適宜的時效條件。含Co、Mo的馬氏體時效鋼最高強(qiáng)度狀態(tài)的組織是，有片狀Ni3Mo、Ni3Ti金屬間化合物微細(xì)析出。Mo、Ti形成的析出物直接起強(qiáng)化作用，Co以固溶狀態(tài)提高馬氏體組織韌性的同時，降低Mo的固溶度，起著促進(jìn)Mo系金屬間化合物的時效析出作用。所以，Co間接地促進(jìn)時效析出過程。
圖1是馬氏體時效鋼熱處理狀態(tài)組織圖。圖1（a）、圖1（b）是850℃×1h固溶處理后，經(jīng)480℃×3h時效處理的微觀組織。圖1（a）是光學(xué)顯微鏡觀察的微觀組織。母相組織是板條馬氏體。在原始奧氏體晶粒內(nèi)，有黑白襯度的板條束和板條塊。圖1（b）是透射電鏡（TEM）觀察的微觀組織。在母相板條馬氏體中有時效處理析出的數(shù)十nm的析出強(qiáng)化相Ni3Ti。
2.2 馬氏體時效鋼熱處理不良事例及防止措施
1）提高強(qiáng)度（提高疲勞強(qiáng)度）
現(xiàn)在，汽車CVT普遍使用的馬氏體時效鋼的強(qiáng)化機(jī)制主要是金屬間化合物（Ni3Ti、Ni3Mo）的析出強(qiáng)化。所以，在鋼中添加了各種合金元素。其中起很大強(qiáng)化作用的Ti是強(qiáng)活性元素，容易與N、C結(jié)合生成硬質(zhì)非金屬夾雜物的氮化物（TiN）和碳氮化物（Ti（C、N））。這些硬質(zhì)非金屬夾雜物是高周波疲勞的起點(diǎn)。日本日立金屬公司利用獨(dú)有的冶煉技術(shù)，使這些硬質(zhì)非金屬夾雜物微細(xì)化，不成為疲勞起點(diǎn)，并且開發(fā)出不含Ti的、無硬質(zhì)非金屬夾雜物的、更高強(qiáng)度的馬氏體時效鋼。開發(fā)鋼通過調(diào)整Al、Co含量，在鋼中生成彌散的Ni3Mo、NiAl相，大幅度提高了析出強(qiáng)化效果。此外，在鋼中添加Cr，使開發(fā)鋼可以與傳統(tǒng)馬氏體時效鋼一樣進(jìn)行氮化處理。
2）提高延性
馬氏體時效鋼的特點(diǎn)是具有高強(qiáng)度和高延性。進(jìn)一步提高馬氏體時效鋼延性的有效方法是晶粒微細(xì)化。優(yōu)化冷加工與熱加工的組合，可使鋼的晶粒微細(xì)化。此外，添加微量晶粒微細(xì)化元素B也可以使鋼的晶粒微細(xì)化。
4）提高韌性
提高韌性對于高強(qiáng)度的馬氏體時效鋼極為重要。提高馬氏體時效鋼韌性的根本方法是將鋼中的雜質(zhì)降低到極限低的程度。
3 馬氏體時效鋼技術(shù)發(fā)展方向
馬氏體時效鋼具有高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)。但鋼中的雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物對鋼的強(qiáng)度和韌性有很大影響。為此，采用真空感應(yīng)熔煉爐，以及采用真空電弧爐等進(jìn)行重熔的特殊熔煉技術(shù)，有效地降低了鋼中的雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物。根據(jù)馬氏體時效鋼的用途，適宜地使用這些技術(shù)。
此外，開發(fā)出以飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件用馬氏體時效鋼為基礎(chǔ)的高強(qiáng)度馬氏體時效鋼。開發(fā)鋼中添加C和碳化物形成元素，在傳統(tǒng)馬氏體時效鋼強(qiáng)化機(jī)制金屬間化合物之外，增加了碳化物強(qiáng)化機(jī)制，使開發(fā)的馬氏體時效鋼的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。
近年來，馬氏體時效鋼金屬粉末用于金屬積層造形領(lǐng)域?？梢灶A(yù)期，具有優(yōu)良性能的馬氏體時效鋼，將在金屬積層造形新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
