淬火温度对刀剪用M390粉末冶金不锈钢组织和性能的影响

刘文彬， 乔龙阳， 潘新宇， 程 格， 李爱娜， 裴新军

(阳江职业技术学院 机电系， 广东 阳江 529566)

Cr13型不锈钢具有较高的耐蚀性、强度和硬度，是目前在国内，特别是在刀剪产业最常用的不锈钢材料[1-2]。随着市场对高品质厨用刀具和户外小刀性能及使用要求的日益提高，刀剪材料逐渐由低碳钢向高碳高铬钢转变[3]。

M390钢是通过热等静压工艺生产的马氏体粉末冶金不锈钢，与传统熔铸钢材相比，该材料的碳含量与合金含量高，组织细小、成分均匀，克服了合金元素宏观偏析及碳化物粗大的缺点，且钢中夹杂物大量减少，具有耐磨、抗压、韧性好、强度大、耐腐蚀等优异性能，被称为第三代粉末冶金材料[4-7]，广泛应用在注塑模具、电子芯片模具、阀体材料以及高品质五金刀剪材料中[8-9]。

若让M390钢发挥出优异的综合性能，必须实施恰当的热处理工艺。目前国内针对M390粉末钢的热处理工艺研究鲜有报道。本文通过研究该钢种的热处理工艺获得最佳的综合性能，对开发高品质粉末冶金五金刀剪材料和工模具钢具有重要参考价值。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为进口M390粉末冶金不锈钢，原始状态为退火态，其化学成分如表1所示，具有高碳、高铬和高合金含量等特点。将表1中各元素的含量输入JMatProV7相图模拟软件[10-11]，计算得到M390钢平衡态下的相图，如图1所示。可以看出，M390钢在平衡态下的物相包括铁素体和M23C6、M7C3、MC等碳化物，其中M7C3和M23C6由Cr、Fe、Mo、Mn、V及C构成，MC碳化物由V、C、Mo及Cr组成，主要成分为VC。铁素体开始向奥氏体转变的温度为870 ℃，固-液转变温度为1240 ℃，在此温度区间M23C6和MC等碳化物随着温度升高，逐步溶入奥氏体中，而M7C3超过1240 ℃时才会溶解。文献[12]指出，M390钢中溶入基体的Cr元素超过13wt%，碳化物含量超过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钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of the M390 steel (mass fraction, %)

图1 M390钢在不同温度下的平衡相(JMatProV7软件计算结果)Fig.1 Equilibrium phases at different temperatures of the M390 steel (calculated by JMatProV7 software)

采用光学显微镜、扫描电镜和XRD衍射仪等测试手段对M390钢退火态原始试样进行表征，结果如图2所示。由图2(a)可以看出，M390钢退火组织由铁素体基体和大量细小、均匀弥散分布的球形碳化物颗粒组成，还能观察到少量黑色气孔(如图2(b)所示)，尺度约为0.4 μm。使用Image Pro Plus 6.0软件统计碳化物尺寸分布，结果如图2(c)所示，碳化物尺寸范围在0.2～2.4 μm之间，数量为1670个/0.01 mm2，面积分数为17.2%，平均尺寸约1.0 μm。将碳化物按照尺寸大小分成两组，其中小颗粒组的平均尺寸约0.5 μm，大颗粒组的尺寸约1.1 μm，部分大颗粒发生粘连。经测量，M390钢退火态的硬度为268.5 HBW。由图2(d)可见，退火态M390钢的物相主要包括含铬铁素体以及M7C3、MC和M23C6等碳化物，其衍射峰根据Cr7C3、VC和Cr23C6标定，与热力学计算结果一致。

图2 退火态M390钢的显微组织(a, b)、碳化物尺寸分布(c)和物相组成(d)Fig.2 Microstructure(a,b), carbide size distribution(c) and phase composition(d) of the as-annealed M390 steel

1.2 试验方法

将退火态M390钢置于卧式真空气淬炉(HVGQ-334S)中进行真空淬火，淬火温度分别为1050、1080、1130和1180 ℃，保温时间5～10 min，淬火介质为N2，压力0.5 MPa。淬火后再进行230 ℃×2 h回火。从热处理后的M390钢上切取尺寸为5 mm×5 mm×35 mm 试样，在100 t微机控制电子万能试验机上进行抗弯强度测试；采用全自动洛氏-表面洛氏-布氏-维氏硬度计测量试样硬度，每个试样测量5个点并取平均值；采用D/max-3C X射线衍射仪测量试样物相；金相试样经磨制抛光后，采用10 g FeCl350 mL+HCl+50 mL 乙醇配比的溶液腐蚀1～2 s，然后在智能型倒置光学显微镜上进行显微组织观察，并用扫描电镜观察断口和显微结构，利用Image Pro Plus 6.0软件分析碳化物颗粒的分布和大小；用JMatPro V7软件计算平衡相图、物相组成和各相成分，为制定热处理参数提供参考。

2 试验结果与讨论

2.1 不同淬火温度下的物相组成

退火态M390钢中的铁素体经加热升温转变为奥氏体，部分碳化物溶解到奥氏体中，再经气淬快速降温，大部分过冷奥氏体转变成马氏体，最后经低温回火后形成回火马氏体，此过程中部分碳化物从马氏体中析出，由于高合金元素和高碳造成马氏体转变温度下降，导致马氏体转变不彻底，钢中有残留奥氏体组织。图3为M390钢经不同温度淬火和回火后的XRD图谱。可以看出，不同的淬火温度下，回火后的物相都含有马氏体、碳化物和残留奥氏体。随淬火温度升高，物相组成和数量变化不大。碳化物种类与退火态类似，包括M7C3、M23C6和MC等。

图3 不同温度淬火及回火后M390钢的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

2.2 不同淬火温度对回火后显微组织的影响

过高的淬火温度会使晶界析出网状碳化物或晶界局部熔化，造成晶界强度下降。根据模拟相图(如图1所示)，淬火温度应严控控制在1200 ℃以下。图4为M390钢经不同温度淬火和回火后的扫描电镜照片，可以看出，显微组织包括隐晶回火马氏体、碳化物和残留奥氏体。试样腐蚀后的组织中残留奥氏体与马氏体均呈白色，两者难以辨别[13]，可隐约看到原始奥氏体晶界(PAG，图4中圆圈标记处)和细小的碳化物，随着淬火温度的升高，部分碳化物的溶解削弱了其对晶界的钉扎作用，原奥氏体晶粒尺寸从14 μm增大到20 μm。未溶解的碳化物抑制了奥氏体晶界在淬火时的长大，因此PAG随淬火温度升高而长大的程度较小[14-15]。

图4 不同温度淬火及回火后M390钢的SEM照片Fig.4 SEM images of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering(a) 1050 ℃; (b) 1080 ℃; (c) 1130 ℃; (d) 1180 ℃

由于晶界处能量较高，碳化物容易形核长大，碳原子优先吸附在缺陷较多的晶界碳化物质点上[16]，原始M23C6碳化物溶入奥氏体，淬火及回火后大量均匀析出在原始晶界上，数量明显多于晶内[17-18]。由于高碳钢碳化物尺寸、数量等因素对性能有着至关重要的影响，对不同淬火温度的碳化物进行了统计分析，结果如图5和表2所示。可以看出，随着淬火温度的升高，碳化物颗粒的尺寸增大，球化和多个颗粒连接在一起的程度不断提高，单位面积的个数减少而所占面积分数不断提高，碳化物分布均匀性下降。根据统计结果，淬火温度为1180 ℃时碳化物的平均尺寸较1050 ℃时增大45.9%，数量减少32.7%，而面积分数增加了95.4%，表明随着淬火温度的升高，合金元素和C的扩散系数及形核驱动力不断提高，初生碳化物吸收周围合金元素与C的能力增强，因而碳化物颗粒尺寸不断增大，除部分碳化物溶入奥氏体外，其余保留在淬火和回火组织内。同时淬火和回火产生大量超细二次碳化物(如图4箭头所示)，造成碳化物尺寸分布呈现双峰特征，1050 ℃和1080 ℃下超细碳化物尺寸约0.4～0.5 μm，1130 ℃和1180 ℃下超细碳化物尺寸增大到0.6～0.8 μm。同时大颗粒碳化物的尺寸也随着淬火温度升高而向大尺寸方向偏移。1130和1180 ℃淬火时奥氏体中溶解的碳化物多于淬火和回火产生的二次颗粒，而1050和1080 ℃淬火时碳化物溶解少而析出较多，因此单位面积的碳化物数量在减少，但1130和1180 ℃淬火时晶粒长大的程度高于数量减少的速度，碳化物所占面积快速增加。

图5 不同温度淬火及回火后M390钢的碳化物分布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 不同温度淬火及回火后M390钢的碳化物分析

图6为淬火温度为1080 ℃时M390钢的背散射SEM照片，与二次电子SEM照片不同，可以观察到大量黑色球形小颗粒弥散分布在基体上。为了解其成分组成与其它碳化物的不同，分别对黑色颗粒(Z1)、灰色大颗粒(Z2)、浅色小颗粒(Z3)和基体(Z4)进行能谱分析，结果如表3所示。可以看出，Z1处V含量远远高于其它区域，可以确定该碳化物是(V, M)C，Z2处的Cr含量高，而Z3处的C含量较低，表明其碳化物类型不同，Z4处的合金元素含量不高，为马氏体基体。

图6 1080 ℃淬火及回火后M390钢的BSE照片Fig.6 BSE image of the M390 steel after quenching at 1080 ℃ and tempering

表3 图6中各区域的能谱分析(原子分数，%)

2.3 不同淬火温度对合金力学性能的影响

2.3.1 硬度

相对于传统刀剪用钢，粉末冶金不锈钢的碳化物含量高，且弥散分布，保证了材料的高硬度。图7为M390钢经不同温度淬火和回火后的硬度，可以看出，不同淬火温度下M390钢的硬度都超过了56 HRC。淬火后的硬度随着淬火温度的升高先增加，并在1130 ℃时达到最大值(60.2 HRC)，随后略有降低。而回火后的硬度均较淬火硬度有不同程度的回落，其中1050和1080 ℃淬火时分别下降2.2 HRC和2.0 HRC，1130 ℃ 淬火时下降了1.7 HRC，但仍为最大的回火硬度(58.5 HRC)，而1180 ℃淬火时下降了1.1 HRC。对比图3可知，在一定温度下，淬火温度对残留奥氏体的含量影响不大，因此1130和1180 ℃淬火时硬度较高的主要原因在于高温固溶强化作用，使得回火马氏体基体强度高。再者碳化物的数量虽然少，但其所占面积分数远高于1050和1080 ℃淬火的试样，虽然1050和1080 ℃淬火的合金中存在着大量细小的碳化物，起到钉扎晶界阻碍位错运动的作用，产生一定的沉淀强化[19]，但远不及高温淬火时合金元素的固溶强化作用大。

图7 不同温度淬火及回火后M390钢的硬度Fig.7 Hardness of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

2.3.2 抗弯强度

抗弯强度一般用来表征脆性材料的强度，它是材料的拉伸强度、压缩强度、塑性和韧性等的综合性能体现，且受气孔、夹杂、裂纹等缺陷的强烈影响，直接反映了材料制备的工艺水平。图8为M390钢经不同温度淬火和回火后的抗弯强度，对应的断口形貌如图9 所示。由图8可以看出，淬火温度对M390钢的抗弯强度影响很小，1050、1080和1130 ℃淬火时的抗弯强度都高于4000 MPa，而1180 ℃为3930 MPa，但数值波动性明显好于1130 ℃淬火。由此可见M390钢经过淬火和回火后，均匀分布的细小碳化物起到第二相强化作用，有效抑制裂纹的扩展，提高基体材料的变形能力，具有良好的强韧性配合，抗弯强度呈现很高的数值[20]。这也反映出热等静压粉末冶金不锈钢材料致密、缺陷少和性能稳定的优点。

图8 不同温度淬火及回火后M390钢的抗弯强度Fig.8 Flexural strength of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering

图9 不同温度淬火及回火后M390钢的弯曲断口形貌Fig.9 Bending fracture morphologies of the M390 steel after quenching at different temperatures and tempering(a) 1050 ℃; (b) 1080 ℃; (c) 1130 ℃; (d) 1180 ℃

由图9可以看出，不同温度淬火和回火后M390钢的断裂机制都为韧性断裂，由碳化物和韧窝组成，碳化物颗粒呈球形分布在韧窝上，尺寸大多小于2 μm。不同淬火温度下的韧窝差别较小，鲜有解理面和穿晶断裂。随着淬火温度的升高，韧窝深度有所增大。另外，在1130 ℃淬火的断口上发现少量裂纹缺陷，反映在抗弯强度上表现为数值波动幅度增大，存在较大裂纹缺陷的试样抗弯强度明显下降。

综合以上显微组织和力学性能的综合分析，1130～1180 ℃真空气淬+200 ℃低温回火是刀剪用M390钢的最佳热处理工艺。

3 结论

1) 进口M390粉末冶金不锈钢的退火组织包括铁素体基体和大量细小、均匀弥散分布的球形M7C3、MC等碳化物颗粒，碳化物平均尺寸约为1.0 μm。根据计算所得相图，铁素体开始转变为奥氏体的温度为870 ℃，固液转变温度为1240 ℃，因此淬火温度要控制在1200 ℃以下。

2) M390钢淬火和回火后的组织包括隐晶回火马氏体、多种碳化物和残留奥氏体。随着淬火温度的升高，原始奥氏体晶粒尺寸和碳化物尺寸不断长大，碳化物颗粒球化和多颗粒粘连接在一起的程度加大，单位面积的碳化物颗粒数量减少而所占面积分数提高，碳化物分布均匀性降低。不同形状、尺度和颜色衬度的碳化物内部所含合金成分有较大差异。

3) 随着淬火温度的升高，M390钢淬火后的硬度逐渐增加，1130 ℃时达到60.2 HRC，为最大值，随后略有降低。回火后的硬度均较淬火硬度有不同程度的回落，下降幅度不超过2 HRC，1130 ℃淬火试样的回火硬度最高，为58.5 HRC。

4) 淬火温度对M390钢淬火和回火后的抗弯强度影响很小，均接近或大于4000 MPa，具有良好的强韧性匹配。弯曲断口呈现韧性断裂特征，由开裂的碳化物和韧窝组成，随着淬火温度升高，韧窝深度增加。

致谢：感谢博乐特殊钢(上海)有限公司佛山分公司、东莞市益德精密模具有限公司、东莞市禾盛金属科技有限公司和阳江市质量计量监督检测所对试验的大力支持！