低碳马氏体技术与应用

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摘要：低碳马氏体技术包括低碳马氏体材料技术，低碳马氏体理论技术和低碳马氏体工艺技术。在我国已有近50年的研发应用历史。随着理论研究越来越深入，应用的领域也越来越广阔。淬火后获得更多的甚至全部低碳马氏体组织，是提高零部件力学性能；延长零部件使用寿命的关锌。低碳马氏体技术是一项节约钢材，节约资源和能源，保护环境的先进技术。
关键词：低碳马氏体技术；节约钢材；节约资源和能源；保护环境
低碳马氏体(也称板条马氏体、位错马氏体、块状马氏体、立方马氏体、高温马氏体)，具有相当高的强度(硬度达45—50HRC，屈服强度达1000—1300MPa和抗拉强度达1200—1600MPa)，很好的塑性(A≥10％、z≥40％)和韧性(Akv≥59J)，以及良好的冷加工性、可焊性和热处理形变小等优点。因此，低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。
从上世纪60年代初，西安交大周惠久教授就开始了对低碳马氏体及其综合力学性能的研究、试验工作；与此同时，在上述研究成果的基础上，我国石油行业率先应用低碳马氏体技术，采用15CrMo低碳合金钢经强烈淬火，获得低碳马氏体，代替价格昂贵的PCrNi3Mo炮钢，制造57—103型射孔枪，获得了成功。经过近50年时间的发展，我国对低碳马氏体的研究越来越深入，应用推广的领域越来越广阔，取得了可喜的成果。低碳马氏体已成为一门先进的科学技术。
1　低碳马氏体技术的概念与内容
低碳马氏体技术包括：低碳马氏体材料技术，低碳马氏体理论技术，低碳马氏体工艺技术。
1.1　低碳马氏体材料技术
应用低碳马氏体技术，首先是掌握材料选择的技术。凡是含碳量小于0.25％的非合金钢(碳素钢)，低碳低合金结构钢经强烈淬火，可获得80％以上甚至100％低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体材料，既低碳马氏体钢。一般情况下，碳含量0.15％—0.25％范围内淬火强化效果好，综合力学性能高。
对低碳马氏体材料的选择，主要依据零部件的技术要求，使用状态和截面尺寸。力学性能要求较低，截面尺寸小(≤30mm)的零部件可选择淬透性低的20、25、20Mn、20Mn2、20Cr钢；力学性能要求较高、截面尺寸较大(≥50mm)的零部件可选择淬透性较高的20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB钢等。 1.2　低碳马氏体理论技术
对低碳马氏体具有高的力学性能(特别是强韧性)的理论研究主要归纳为以下几条：
①低碳马氏体的亚结构是高密度的位错。
低碳马氏体在电子显微镜下的特征是马氏体条内具有高密度的位错[经电阻法测量估计约(0.3—0.9)×1012cm－2]，因此也称位错型马氏体。这是低碳马氏体具有高的力学性能(特别是强韧性)的主要原因。
②低碳马氏体的晶体结构是体心立方晶格。
在一些合金钢中，测定＜0.2％C马氏体为立方结构，这是低碳马氏体中碳原子偏聚(自回火)的结果，现确定＜0.2％C的马氏体为体心立方晶格。
由于低碳马氏体的晶格仍然是奥氏体的体心立方品格，晶格畸变很小，所以低碳马氏体具有微变形、不开裂的特点。
③低碳马氏体板条及板条间有残余奥氏体。
低碳马氏体板条及板条之间有明显残余奥氏体薄膜，经电子衍射谱标定为马氏体和母相奥氏体，无界面碳化物析出。因此，可见这种组织具有很好的强韧性。
④低碳马氏体具有“自回火”特点。
低碳钢由于Ms点温度较高(＞350℃)，淬火时得到的低碳马氏体，在淬火冷中途便得到回火，获得回火马氏体组织，使钢的强度及韧性均得到提高。这种方法为软钢强韧化的有效方法，称为。“淬回火”(自回火)。
1.3  低碳马氏体工艺技术
低碳马氏体工艺技术主要有以下特点：
①淬火加热温度Ac3+100℃。
从淬火强化的效果考虑，适当提高淬火加热温度，Ac3+100℃，有利于奥氏体的均匀化，细化晶粒，提高钢的淬透性，缩短加热时间。另外，低碳马氏体淬火强化效果，不仅取决于淬火加热温度，而且也取决于零部件淬火时的温度。
②淬火冷却要激冷、深冷既强烈淬火。
低碳钢或低碳低合金钢在强烈淬火[水淬，W(Nac1)5—10％水溶液淬火或(NaoH)10％水溶液淬火]后可获得低碳马氏体。
低碳、低合金钢结构钢采用强烈淬火不会产生淬火裂纹。而低碳中、高合金钢由于碳当量较高(＞0.45％)淬火冷却时应采用适当的冷却方法和冷却介质。如：水—空，水—油或油冷。
③低碳马氏体淬火后可不经回火而直接使用。
④零部件截面尺寸越大，淬火后硬度越高。
中碳、中碳合金结构钢零部件截面尺寸越大，淬火后硬度就越低，而低碳马氏体工艺技术的又一特点就是：零部件截面尺寸越大，淬火后硬度越高。

                               
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应用低碳马氏体技术，不仅可以显著提高零部件的力学性能质量，延长零部件使用寿命，而且可以显著节约钢材、节省能源和资源，有利于保护环境。这是一项值得推广应用的先进的科学技术。
2  低碳马氏体技术在模具中的应用
由于低碳马氏体具有很高的综合力学性能，以及良好的冷加工性、可焊性和热处理畸变小，不开裂等优点。因此，如何使模具钢的淬火组织中得到更多的、甚至全部低碳马氏体，是提高模具强韧性，延长模具使用寿命的关键。
近年来，一些国家已在模具钢标准中列入了低碳马氏体模具钢；例如，冷作模具钢有：ISO4957-1999《冷作合金工具钢》标准中5CrMo4钢(≤0.07％C)、7CrMoNi2钢(≤0.10％C)、20Cr13钢(0.16％-0.25％C)；德国工具钢种：21MnCr5钢(0.16％-0.24％)，X6CrMo4钢(≤0.07％C),15NiCr18钢(0.10％-0.17％C)。热作模具钢有：美国的H25钢(≤0.25％C)，德国的21CrMo10钢(0.16％-0.23％C)，和法国的20MoNi34-13钢(0.18％-0.23％C)。特别是美国ASTMA681-1999《合金工具钢》标准已单独列出P系列(P1—P6、P21)低碳模具钢(0.07％-0.21％C)。我国也有不少应用低碳马氏体技术制造模具的实例。
2.1  20钢锯齿锁紧垫圈冷冲模
该冷冲模用于冲压65Mn钢钢带(179—217HBW)。原采用T10钢(48—50HRC)，使用寿命＜1500次；后采用Cr12MoV钢(48—50HRC)，使用寿命3000次；而采用20钢(46—48HRC)，使用寿命高达3—4万次。其热处理工艺为：(910±10)℃加热，10％Nac1盐水冷却，不回火(淬回火)直接使用，成本低廉。
2.2  20CrMnTi钢压制铝套冷挤压模
巨力集团生产的D16、D20型压制铝套钢丝绳冷挤压模，原采用CrWMn钢，淬火回火后硬度为45—50HRC，尽管硬度要求在冷挤压模中较低，但是由于CrWMn钢碳化物不均匀性比较严重，很难避免网状，带状碳化物，因此造成崩刃、开裂而早期失效，使用寿命仅为1000多件，有的仅几百件甚至几十件。选用20CrMnTi钢制作D16、D20铝套冷挤压模，经950℃加热，盐水淬火后，不回火(淬回火)直接使用，模具硬度为46—48HRC，压制铝套2000多件，仍能使用。目前巨力集团已批量应用此项工艺技术。
2.3  20Cr钢索节扣体热锻模
巨力集团生产的拉索冷铸锚杯索节扣体是斜拉桥关键受力固定端锚具，技术要求必须是锻件。由于合同订货数量仅88件，因此采用强韧性高，耐冲击，有一定热强性的20Cr钢制造索节扣体热锻模。
热处理工艺为：920℃加热，10％Nac1盐水淬火，430℃该工艺不仅消除了淬火软点，提高了模具淬透性，而且可以提高模具屈服强度和冲击韧性，保证模具使用寿命。经上述工艺处理的索节扣体热锻模，平均硬度40HRC，金相组织为较细的板条马氏体，完成合同生产任务后，仍能继续使用。
3  低碳马氏体技术在调质件中的应用
我国应用低碳低合金钢淬成低碳马氏体并低温回火来代替中碳合金钢的调质处理，获得可喜的成就。成为发挥钢材强韧化潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。
3.1　20Cr钢低碳马氏体强烈淬火，代替40Cr钢调质处理。
20Cr钢经920℃加热后，淬入W(Nac1)10％水溶液；350℃×2h回火，各方面性能均优于40Cr钢淬火+500℃回火调质处理的性能。用20Cr钢可以取代40Cr钢制造钻杆锁接头，因而可减少甚至可避免滑扣失效。由于具有高的塑性，断裂韧度和多冲抗力和冷脆化温度较低(tk＜-70℃)，可显著提高钻杆锁接头的使用寿命。

                               
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3.2　20钢低碳马氏体强烈淬火，代替45钢调质处理。
3.2.1　采用20钢钢管代替45钢调质制造链板运输机的方套。
20钢钢管经900℃×7min淬火(Nac1)10％水溶液，160℃×30min回火，硬度42—46HRC，强度比45钢调质提高40％，简化了工序。装配时不发生破裂，变形小，提高了产品质量，生产效率提高了一倍以上。
3.2.2　采用20钢代替45钢调质制造升降臂连接销。
升降臂连接销，原采用45钢，调质处理，部分零件两头Φ6mm孔产生裂纹；采用20钢，1000℃×5min，碱水冷却，没有裂纹。
3.2.3　采用20钢代替45钢调质制造分离定位销。
分离定位销原采用45钢调质，在淬火后的孔与台阶处产生裂纹；改用20钢，1000℃×5min，碱水淬火冷却，没有裂纹。
3.3　20CrMnTi钢低碳马氏体强烈淬火代替40CrMnTi钢调质
    20CrMnTi钢不仅力学性能质量比40CrMnTi钢高，不产生裂纹，而且材料成本低、生产效率高。

                               
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4　低碳马氏体技术在高强度螺栓中的应用
随着我国经济建设的发展，汽车工业、机械工程、大型建筑工程和桥梁工程等重点项目越来越多。市场对高强度螺栓的需求以每年40％幅度增长。并朝着高强度(13.9级、14.9级)大规格(Φ60mm以上)方向发展。
4.1　15MnVB钢高强度螺栓在汽车发动机上的应用
汽车发动机缸盖上的螺栓，原设计采用40Cr钢制造，随着发动机马力增加，螺栓最大拉力的设计要求，由原来的8t提高到10t以上。40Cr钢已不能满足设计要求。采用15MnVB钢低碳马氏体强化，代替40Cr钢制造螺栓，达到设计要求。而且15MnVB钢的冷墩性能好，基本不开裂。生产效率高，废品率低。
4.2　20MnSi钢高强度鱼尾螺栓
高强度鱼尾螺栓是铁道无缝线路配套使用的紧固件。它要求高的强度和良好的塑性，韧性相结合，低的缺口偏斜敏感度和较低的冷脆转化温度。经采用20MnSi钢低碳马氏体强化，其螺栓使用寿命比原设计的40B钢螺栓提高1倍。而且20MnSi钢每吨价格比40B钢低260元。
4.3　20钢高强度缸盖螺栓
缸盖螺栓原采用45钢调质处理，硬度24—30HRC，淬火时经常发生12％左右的螺栓纵向裂纹而报废，且螺纹易滑牙。改用20钢经910℃×12min加热，淬盐水，200℃×2h回火，表面硬度40—43HRC，心部硬度为30—35HRC。在最大装配旋紧扭力下，伸长率均≤0.09％，而调质状态45钢一般为0.16％。表命比45钢提高35—40％，热处理合格品率100％。
4.4　20MnTiB钢12.9级高强度螺栓
某建筑工程用M60大规格12.9级高强度螺栓，原采用42CrMo钢制造，但综合力学性能不合格，特别是塑性，韧性较低。经过技术攻关后，采用20MnTiB钢，经低碳马氏体强烈淬火，低温回火后，综合力学性能符合技术要求。不仅强度高，而且塑性、韧性也好，充分发挥了低碳马氏体高的强韧性的特点。
5　低碳马氏体技术在铁路钢轨上的应用
钢轨是铁路轨道运输的重要部件，承担着引导车轮、传递载荷的功能。是发展高速、重载以及实现繁忙铁路运输安全的基础。随着铁路重载运输的进一步发展，如列车轴重大于350KN，单列货车运量达到几万吨，要求钢轨进一步提高强韧性。鉴于珠光体钢轨已接近研发极限，材料工作者将研发的目光集中到低碳马氏体。近年来，英国英钢联公司研究开发了轨头硬度达445HBW(47HRC)的低碳马氏体钢轨钢，并申请了专利。尽管该钢种的耐磨性能与珠光体型热处理钢轨相似，但韧性却高很多。
低碳马氏体钢轨不仅强度高，耐磨性好，而且塑性、韧性高。特别是低温冲击韧性高，-20℃冲击吸收功Akv可达100J左右。－40℃冲击吸收功Akv可达50J左右，比共析钢钢轨高几倍。
另外，低碳马氏体钢轨焊接性能比珠光体型共析钢钢轨好得多，可满足焊接长钢轨无缝线路的焊接性能要求。
采用低碳马氏体钢轨代替珠光体共析钢钢轨，可以说是铁路钢轨一百多年发展史上的一场技术革命，必将会显著降低钢轨脆性断裂(特别是冷脆性)事故的发生，保证钢轨的安全性，可靠性，提高钢轨的使用寿命，保障铁路的畅通。
6　低碳马氏体技术在矿用高强度扁平接链环中的应用
矿用高强度扁平接链环是煤矿井下采煤机，创煤机和刮板输送机上的牵引用圆环链条相互连接的关键的元件。其质量的好坏不仅关系到综合采煤设备的可靠性，更关系到煤矿工人生产的安全。因此，曾被原国家煤炭部列为关键易损零部件质量攻关项目之一。
采用20MnVB钢制作接链环，应用低碳马氏体特殊热处理工艺技术，不仅取消了接链环锻件毛坯正火和淬火后的回火二道工序，而且采取了盐浴高温快速波动淬火工艺技术(见图1)。

                               
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6.1　采用高温形变正火，取消接链环锻件毛坯普通正火
有关文献指出：高温形变正火是钢材或工件毛坯在锻造(或轧制)时，适当降低终锻(轧)温度(常在Ac3附近，或在Ac1以下，以避免再结晶过程的严重发展)，之后空冷的复合热加工工艺。进行高温形变正火的主要目的，不在于提高钢的强度，而在于提高材料的冲击韧性，抗磨损能力，疲劳抗力；同时降低钢的脆性转变温度。其主要原因在于：①大大增加了钢中位错线的密度。②显著细化钢的晶粒组织。③强化细化钢中的第二相粒子的颗粒。④提高了钢的组织均匀性。
6.2　发挥低碳马氏体淬火“自回火”的特点，取消了接链环淬火后的回火工序。
有关文献介绍，西安交通大学周惠久教授发表了《低碳马氏体的自回火研究》一文。周教授等试验了五种低碳钢、低碳合金钢，在不同速度淬火时所得到的低碳马氏体的自回火现象，证实它是一个普通现象。由此从理论上阐明了淬火所得到的低碳马氏体不需要回火即可使用的原因。
6.3　应用效果
    按上述工艺淬火的20MnVB钢22×86接链环破断负荷最低590KN，最高达745KN，平均663KN，高于德国DIN 22258标准≥550KN的要求。34×126接链环在大同矿务局马家梁矿与英国长备公司生产的L×(3B)1500—830型刮板输送机配套使用中，“过煤量”已稳定达到100万吨，最高达130万吨，仍能使用。远远超过了进口的同类接链环“过煤量”只保40万吨的技术要求，达到了世界先进水平。
7　低碳马氏体技术在建筑材料中的应用
7.1　建筑用低碳钢盘条的低碳马氏体热处理
建筑用低碳钢盘条，[(C)0.12—0.20％。]一般在热轧状态使用。随着大型建筑工程对建筑
钢结构材料可靠性、安全性越来越高的要求，可应用低碳马氏体技术，对低碳钢盘条整盘进行强烈淬火处理。其热处理工艺：对盘条进行960—1000℃的空气搅拌均匀加热，然后盐水急冷淬火，并根据力学性能技术要求进行低温、中温或高温(调质处理)回火。
低碳钢盘条调质处理后，具有较高的强度和良好的塑性韧性，可继续加工成各种类型建筑用工件。应用这种经过调质处理的盘条的优点是：
A.在形变成形时，工件得到进一步强化，因此可使用廉价的低碳钢取代合金钢。
B.力学性能均匀一致，在保证塑性、韧性的条件下，强度可以提高一倍。
C.避免了长工件的淬火变形和校直操作。
7.2　5SiMn钢Φ50大规格Q835级高强度预应力精轧螺纹钢筋的低碳马氏体热处理。
巨力集团自主研发的Φ50大规格Q835级高强度精轧螺纹钢筋，采用承德钢厂生产的Φ50大规格螺纹钢筋，经低碳马氏体强烈淬火+回火后，力学性能达到英国BS4486—1988标准要求，并已应用于国家重点工程，上海长兴岛造船基地一期工程。填补了国内空白。

                               
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7.3　低碳马氏体技术在高强度建筑钢拉杆中的应用
巨力集团自主研发的高强度建筑钢拉杆，广泛应用于大型建筑工程，码头船坞，地铁隧道和桥梁工程。不仅填补了国内空白，而且钢拉杆热处理后的力学性能达到了世界先进水平。
采用20、20Cr、20CrMnTi和27SiMn低碳马氏体钢，制造高强度建筑钢拉杆，应用低碳马氏体技术。经过热处理高温快速加热，盐水强烈淬火+回火，使钢拉杆的力学性能质量远远高于标准技术要求。

                               
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到目前为止，巨力集团钢拉杆厂制造的上万吨低碳马氏体高强度建筑钢拉杆已应用到：深圳国际会展中心、上海浦东机场二期工程、上海火车南站、北京首都新博物馆、首都机场扩建工程等四十多项包括国家重点工程和国防工程中。
8　结语
8.1　低碳马氏体具有很高的综合力学性能，是零部件理想的淬火组织。
8.2　低碳马氏体技术是一项最有效减小零部件畸变，防止零部件开裂，提高热处理质量的关键核心技术。
8.3　低碳马氏体技术包括：低碳马氏体材料技术，低碳马氏体理论技术，低碳马氏体工艺技术。
8.4　低碳马氏体技术有着广阔的推广、应用发展前景。
8.5　推广、应用低碳马氏体技术，不仅节约钢材，节约资源和能源，而且有利于保护环境，有利于实现可持续发展