铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势

铸、锻、焊和机加工等工艺性能及优良的服役性能 韧性的低碳马氏体的形成和以镍、钼等合金元素作补
（ 如抗空蚀、抗磨 损、低温性能） 。现已广泛 应用 于 水 电、火电、核电等电力工 业领域［１－３］。近年来， 对铸造
充强化手段， 通过适当的热处理使之具有低碳板条状 马氏体与逆转变奥氏体的复相组织， 从而既保留了高
铸造低碳马氏体不锈钢具有良好的淬透性， 因此， 板条状马氏体组织的形成不需要快冷， 可以在变温或 者等温条件下形成， 再进行加热时， 不会出现马氏体 系的回火现象， 逆转变为奥氏体有很大的温度滞后， 因此可以在较高的温度下发生马氏体基体的沉淀， 马 氏体的强度和硬度很高， 也具有良好的塑性和韧性［１２］。 ２．２ 逆变奥氏体
Ｓ ＵＮ Ｘｉａ ， ＬＩＵ Ｃｈｕｎ－ｍｉｎｇ （ Ｓ ｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌ ａ ｎｄ Ｍｅ ｔａ ｌｌｕｒｇｙ， Ｎｏｒｔｈｅ ａ ｓ ｔｅ ｒｎ Ｕｎｉｖｅ ｒｓ ｉｔｙ， Ｓ ｈｅ ｎｙａ ｎｇ １１０００４， Ｌｉａ ｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｉｔ ｗａ ｓ ｐｒｅ ｓ ｅ ｎｔｅ ｄ ｔｈａ ｔ ａ ｓ ｕｒｖｅ ｙ ｏｆ ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ， ｃｈｅ ｍｉｃａ ｌ ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｉｏｎ， ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｎｄ ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ ｏｆ ｃａ ｓ ｔ ｌｏｗ ｃａ ｒｂｏｎ ｍａ ｒｔｅ ｎｓ ｉｔｉｃ ｓ ｔａ ｉｎｌｅ ｓ ｓ ｓ ｔｅ ｅ ｌ ｉｎ ｒｅ ｃｅ ｎｔ ｙｅ ａ ｒｓ ． Ｔｈｅ ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｉｎｇ ｔｅ ｎｄｅ ｎｃｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓ ｔｅ ｅ ｌ ｉｓ ｔｏ ｄｅ ｃｒｅ ａ ｓ ｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅ ｎｔｓ ｏｆ ｇａ ｓ ｅ ｓ ， ｉｎｃｌｕｓ ｉｏｎ ａ ｎｄ ｒｅ ｓ ｉｄｕａ ｌ ｄｅ ｌｅ ｔｅ ｒｉｏｕｓ ｅ ｌｅ ｍｅ ｎｔｓ ｉｎ ｓ ｔｅ ｅ ｌ， ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｏｆ ｃａ ｓ ｔｉｎｇ， ｗｅ ｌｄｉｎｇ ａ ｎｄ ｈｅ ａ ｔ ｔｒｅ ａ ｔｍｅ ｎｔ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｌｏｗ ｃａ ｒｂｏｎ ｍａ ｒｔｅ ｎｓ ｉｔｉｃ ｓ ｔａ ｉｎｌｅ ｓ ｓ ｓ ｔｅ ｅ ｌ； ｍｉｃｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ； ｐｒｏｐｅ ｒｔｉｅ ｓ
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Ｊａｎ． ２００７ Ｖｏｌ．５６ Ｎｏ．１
铸造
ＦＯＵＮＤＲＹ
!!!!!" 专题综述
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铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势
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孙 霞， 刘春明 （ 东北大学材料与冶金学院， 辽宁沈阳 １１０００４）
摘要： 总结了铸造低碳马氏体不锈钢的成分、组织结构和性能研究的现状。指出该钢的发展趋势是降低钢中气体、夹
图１ 铸造低碳马氏体不锈钢回火后的典型组织 Ｆｉｇ． １ Ｔｙｐｉｃａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｓｔ ｌｏｗ ｃａｒｂｏｎ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ
ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ａｆｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒ
图２ 铸造低碳马氏体不锈钢回火后的透射电镜组织 Ｆｉｇ． ２ ＴＥＭ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｓｔ ｌｏｗ ｃａｒｂｏｎ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ
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低碳马氏体不锈钢的开发和研究取得了很大进步。本 的强度水平又提高了钢的韧性和可焊性， 适用于厚截
文中， 从成分、性能、组织结构等方面总结了铸造低 面尺寸且要求可焊性良好的使用条件， 如大型水电站
碳马氏体不锈钢的研究现状， 指出了该钢的发展趋势。 转轮叶片和转轮下环等。几种典型的铸造低碳马氏体
１ 铸造低碳马氏体不锈钢的成分
少量的合金元素Ｍｏ而形成的。因此， 该钢除具有一定 处理工艺的不同， 其回火后的组织中还可能出现逆变奥
表１ 典型的铸造低碳马氏体不锈钢的化学成分
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｃａｓｔ ｌｏｗ ｃａｒ ｂｏｎ ｍａｒ ｔｅｎｓｉｔｉｃ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌｓ
铸造低碳马氏体不锈钢属于马氏体铬镍不锈钢，
不 锈 钢 的 成 分 见 表１［４－ ８］。
２ 铸造低碳马氏体不锈钢的组织结构
是在Ｃｒ１３马氏体不 锈钢的基础上， 通过 大 幅 度 降 低 含
铸造低碳马氏体不锈钢属于马氏体铬镍不锈钢，
碳量， 同时将镍的含量控制在４％到６％范围内， 并加入 该钢在室温下的组织是板条状的马氏体［９］。随成分和热
基金项目： 国家８６３计划资助项目 （ ２００３ＡＡ３３１１７０） 。收稿日期： ２００６－ ０３－ ２３收到初稿， ２００６－ １２－ １８收到修订稿。 作者简介： 孙霞 （ １９７６－） ， 女， 辽宁辽阳人， 博士研究生， 主要从事高性能金属结构材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｘｉａｏｔｉｎｇ０３２０＠１２６．ｃｏｍ
当钢中某些铁素体形 成 元 素 （ 如Ｓｉ、Ｃｒ等） 偏 上 限， 而 某些奥氏体形成元 素 （ 如Ｎｉ等） 偏 下 限 ， 就 容 易造成Ｎｉ当量余量偏低， 产生一定数量的δ铁素体。因 此， 在进行钢的成分设计时要充分考虑各合金元素对 钢组织的影响以及相互之间的制约关系。研究表明， 控制镍铬两种元素在钢中的合理搭配， 可以消除或减 少铸造低碳马氏体不锈钢中δ铁素体的含量， 进而改善 钢的性能［６］。图３为马氏体不锈钢的组 织与镍、铬当量 的关系。
低 碳 马 氏 体 不 锈 钢 中 的δ铁 素 体 是 在 铸 造 过 程 中 由 于 成 分 偏 析 等 原 因 形 成 的 。δ铁 素 体 以 小 块 状 分 布 于 奥 氏体晶界处， 若含量稍多也会拉长成条状。低碳马氏 体不锈钢中一旦有δ铁素体生成， 用热处理或再加工等 方 法 均 无 法 消 除 。 由 于 δ铁 素 体 与 马 氏 体 基 体 之 间 化 学 成分、力学性能及热稳定性等方面的差异， 它的出现 一 般 都 对 钢 的 性 能 带 来 不 利 的 影 响［１３］。它 不 但 降 低 钢 的强度， 还影响其大截面性能， 此外还会成为疲劳和 磨蚀源， 过早使得水轮机出现疲劳和磨蚀破坏。因此， 铸造低碳马氏体不锈钢成分设计的设计原则是尽量避 免δ铁 素 体 的 形 成 或 使 其 不 存 在δ铁 素 体 。
多年的生产实践表明， 含镍４％￣６％的低碳马氏体 铬镍不锈钢具有良好的力学性能， 已广泛应用于水轮 机 和 其 它 水 力 机 械 等 。 例 如 ， 葛 洲 坝 电 站 １２５ＭＷ和
１７０ＭＷ 大 型 轴 流 式 发 电 机 组 即 成 功 采 用 了 ＺＧ０６Ｃｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ （ 简 称 １３－４） 和 ＺＧ０６Ｃｒ１３Ｎｉ６Ｍｏ （ 简 称１３－６） 不 锈 钢 。为 了 在 满 足 转 轮 材 料 性 能 指 标 要 求 的前提下， 既获得优良性能又降低转轮的生产成本， 研 究 工 作 者 在１３－４和１３－６的 基 础 上 ， 将 镍 含 量 控 制 在 ４．５０％ ￣５．５０％ 之 间 ， 开 发 出 ＺＧ０６Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ （ 通 称 １３－５） 不 锈 钢 。日 本 日 立 公 司 制 造 的 大 型 水 轮 机 转 轮 多数采用１３－５不锈钢。近年来， １３－５不锈钢已被成功应 用于刘家峡电站增容机组、隔河岩电站转轮和水口电 站轴流式转轮叶片， 还被作为岩滩和三峡等电站大型 水轮机转轮 用 材［６］。表３列 出 了１３－５不 锈 铸 钢 的 力 学 性 能技术要求和应用。
ｗＢ （ ％）
类型
材料
Ｃ
Ｓｉ Ｍｎ
Ｓ
Ｐ
Ｃｒ
Ｎｉ
Ｍｏ
Ｃｕ Ｗ
Ｖ 总量
ＺＧ０６Ｃｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ ０．０７ｃ １．００ １．００ ０．０３０ ０．０３５ １１．５￣１３．５ ３．５￣５．０ ０．４０￣１．００ ０．５０ｄ ０．５０ｄ ０．０３ｄ ０．８０ｄ
低碳 ＺＧ０６Ｃｒ１３Ｎｉ６Ｍｏ ０．０７ｃ １．００ １．００ ０．０３０ ０．０３５ １１．５￣１３．５ ５．０￣６．５ ０．４０￣１．００ ０．５０ｄ ０．５０ｄ ０．０３ｄ ０．８０ｄ
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氏体和δ铁素体。图１是光学显微镜下铸造低碳马氏体不 锈钢回火后的组织。在图１中， 沿原奥氏体晶界分布的 白亮色条块状组织即是δ铁素体。图２是铸造低碳马氏体 不锈钢回火后的透射电镜组织。在图２中， 可以看到马 氏体板条内的高密度位错。研究表明， 分布在马氏体板 条间的黑色薄片状组织即是逆变奥氏体［１０］。
图３ 马氏体不锈钢的组织与镍、铬当量的关系 Ｆｉｇ． ３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ＮｉＥｑ ＆ ＣｒＥｑ ｉｎ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ
ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ
铸造
孙霞等： 铸造低碳马氏体不锈钢的现状与发展趋势
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３ 铸造低碳马氏体不锈钢的性能
３．１ 铸造低碳马氏体不锈钢的力学性能 铸造低碳马氏体不锈钢的淬透性很好， 浇注后即
使 冷 却２０天 仍 能 够 获 得 高 位 错 密 度 的 板 条 马 氏 体 组 织 。 淬 火态的硬度通常不小 于ＨＢ ３００， 低温 回 火 后 的 硬 度 通 常 不 小 于ＨＢ２６０。表２是 按ＧＢ／Ｔ６９６７－１９８０标 准 执 行的几种典型的铸造低碳马氏体 不锈钢的力学性能［４］。 由表２可见， 低碳板条马氏体不但强度、硬度比较高， 而 且 具 有 比 较 好 的 韧 塑 性［６］。
铸造低碳马氏体不锈 钢是２０世纪６０年 代 发 展 起 来 的耐腐蚀性能， 良好的 强度、韧性、可焊性 以 及 耐 磨
的钢种。该钢具有良好的淬透性、优良的室温和低温 蚀性能以外， 还具有良好的抗空蚀性能。该钢抛弃了
力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性， 良好的 高碳马氏体与形成碳化物的强化手段， 而以具有较高
低碳马氏体不锈钢的热处理工艺通常为正火和回
火。由于低碳马氏体不锈钢具有较好的淬透性， 其正 火后的组织以马氏体为主， 在其相应的温度范围内进 行回火处理时， 通常会在马氏体板条间形成分布较均 匀的奥氏体， 随着冷却的进行， 这部分奥氏体保持稳 定［１３］， 称这部分奥氏体为逆变奥氏体。
逆变奥氏体富碳富镍， 具有良好的组织稳定性， 冷却至－ １９６ ℃也不会转变为马氏体， 只有在遇到强大 应 力 后 将 吸 收 更 大 的 能 量 才 会 转 变 成 马 氏 体［１４］。 逆 变 奥氏体通常弥散分布于低碳马氏体板条之间， 为韧性 相 ， 具 有 明 显 的 韧 化 作 用［１５］。因 此 ， 低 碳 马 氏 体 不 锈 钢回火后获得的是超微细化的马氏体和逆变奥氏体复 相组织， 具有优异的强韧性结合。 ２．３ δ－ 铁素体
杂和有害元素含量， 优化钢的微结构和铸造、焊接及热处理工艺。
关键词： 低碳马氏体不锈钢； 组织结构； 性能 中图分类号： ＴＧ１４２．７１； ＴＧ１４２．２４ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４９７７ （ ２００７） ０１－ ０００１－ ０５
Ｓ ｔａ ｔｕｓ ａ ｎｄ Ｔｅ ｎｄｅ ｎｃｙ ｏｆ Ｄｅ ｖｅ ｌｏｐｍｅ ｎｔ ｆｏｒ Ｃａ ｓ ｔ Ｌｏｗ Ｃａ ｒｂｏｎ Ｍａ ｒｔｅ ｎｓ ｉｔｉｃ Ｓ ｔａ ｉｎｌｅ ｓ ｓ Ｓ ｔｅ ｅ ｌ
ＺＧ０６Ｃｒ１６Ｎｉ５Ｍｏ ０．０６ １．００ １．００ ０．０３０ ０．０３５ １５．５￣１７．５ ４．５￣６．０ ０．４０￣１．００ ０．５０ｄ ０．５０ｄ ０．０３ｄ ０．８０ｄ
ＺＧ００Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ ０．０３ １．００ １．００ ０．０２５ ０．０３０ １１．５￣１３．５ ４．０￣５．０ ０．４０￣１．００ ０．５０ｄ ０．５０ｄ ０．０３ｄ ０．８０ｄ 超低碳ｂ
ＺＧ００Ｃｒ１６Ｎｉ５Ｍｏ ０．０３ １．００ １．００ ０．０２５ ０．０３０ １５．５￣１７．５ ４．０￣５．０ ０．４０￣１．００ ０．５０ｄ ０．５０ｄ ０．０３ｄ ０．８０ｄ
注： 化学成分无范围者为成分的上限数值。ｂ— ——采用ＡＯＤ、ＶＯＤ等精炼方法。Ｃ— ——铸焊结构碳的质量分数≤０．０６％。ｄ— ——残余元素。
ａｆｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒ
２．１ 马氏体 铸造低碳马氏体不锈钢的铸态组织基本为板条状
马 氏 体［１１］， 马 氏 体 在 原 奥 氏 体 晶 粒 内 形 成 ， 在 一 个 奥 氏体晶粒内有多个捆， 每个捆又由互相平行的板条束 所组成， 各束之间以大倾角晶界相间， 在一个束内由 平行排列的板条构成， 这些相邻的板条基本上位相相 同， 而且相互之间以小倾角晶界接触， 板条宽度为 ０．０２５￣２．２５ μｍ， 一般在０．２ μｍ左右。奥氏体的晶粒度 对板条宽度和分布几乎没有影响， 而捆的大小则随奥 氏体晶粒尺寸增大有变大的倾向。在一个奥氏体晶粒 内板条束的个数基本不变， 也就是说， 板条束的大小 随 奥 氏 体 晶 粒 尺 寸 的 增 加 而 增 大［１２］。