本發(fā)明屬于金屬材料微
技術領域：
，特別是涉及一種馬氏體熱強鋼及其晶粒顯示方法，主要適用于冶金、機械、能源、航空、航天、化工等領域。
背景技術：
：馬氏體熱強鋼是熱強鋼中重要的一類，而熱強鋼又是耐熱鋼中重要的一類。耐熱鋼按照性能和用途可以分為熱強鋼、氣門鋼和抗氧化鋼(又叫抗氧化不起皮鋼)。氣門鋼又叫氣閥鋼，主要直指用于制造內燃機進、排氣門的鋼種。這類鋼由于工作在高溫以及具有腐蝕性氣氛的工作環(huán)境下，因此要求這類鋼具有良好的高溫強度、高溫硬度、抗蠕變性能以及抗煙氣腐蝕能力。氣門鋼包括馬氏體氣門鋼、奧氏體氣門鋼以及氣門合金等，常見的牌號有4Cr9Si2Mo、4Cr9Si3、21-4N、23-8N、Nimonic80A以及Inconel751等?？寡趸撌侵腹ぷ髟诟邷叵?，通常為1000～1200℃，具有良好抗氧化性的鋼種。這類鋼工作時受力較小，但對抗氧化性要求較高，通常用于制造工業(yè)爐爐底板、吊掛、熱處理爐內構件、爐子傳送帶等零件，常見的牌號有1Cr25Ni20、1Cr25Ni20Si2等。熱強鋼是指工作在高溫下，通常為450～700℃，且具有良好的高溫強度、高溫持久和蠕變性能，這類鋼通常用來制造發(fā)動機葉片、軸類、機匣，汽輪機、燃氣輪機的轉子、葉片，鍋爐的過熱器、再熱器、高溫下工作的螺栓和彈簧以及石油加氫反應器。熱強鋼按組織可以分為珠光體型熱強鋼、鐵素體型熱強鋼、馬氏體型熱強鋼、奧氏體型熱強鋼以及沉淀析出強化型熱強鋼。珠光體型熱強鋼最初是由低碳鋼中加入了提高熱強性的合金元鉬后而形成的，在低碳鋼中加入0.5％的鉬，可以使鋼的熱強性明顯提高，隨后便在蒸汽鍋爐上得到廣泛應用。在鉬鋼的基礎上添加鉻形成了鉻鉬型熱強鋼。到了二十世紀60年代，國內外研制出了多種多元低合金熱強鋼，其工作溫度可達600～620℃，可用于制造鍋爐的過熱器和再熱器。在熱強鋼中使用范圍最廣的是中高合金的馬氏體型熱強鋼，這種熱強鋼是和不銹鋼同時發(fā)展起來的。12％Cr型馬氏體熱強鋼是熱強中比較重要的一類，由于其具有優(yōu)良的綜合力學性能、較好的熱強性、耐蝕性和振動衰減性，被廣泛用來制造汽缸密封環(huán)、高溫螺栓、轉子和鍋爐過熱器、再熱器管、燃氣輪機渦輪盤、葉片、壓縮機以及航空發(fā)動機壓氣機葉片、輪盤、低壓軸、機匣等零部件。鋼鐵行業(yè)中對材料的組織進行檢驗時有一項重要的指標，晶粒度。晶粒度是指鋼鐵材料在奧氏體狀態(tài)時的晶粒尺寸大小。由于鋼鐵材料的強度、硬度、韌性以及塑性等都與材料內部晶粒大小有很大的關系，所以晶粒度是評價鋼鐵材料組織特征的很重要的一項指標。絕大部分鋼的奧氏體只是在高溫下才是穩(wěn)定的。因此欲測定奧氏體晶粒就得設法將高溫狀態(tài)奧氏體輪廓的痕跡在室溫下顯示出來，常用的顯示奧氏體晶粒的方法可歸納為滲入外來元素法、化學試劑腐蝕法和控制冷卻速度法3種。(1)滲入外來元素法。如滲碳法和氧化法，是利用奧氏體晶界優(yōu)先形成滲碳體和氧化亞鐵等組成物，形成網絡顯示出奧氏體輪廓。滲碳法一般適用于不高于0.3％c的滲碳鋼和含不高于0.6％c而含碳化物元素較多的其他類型鋼。氧化法卻適用于任何結構鋼和工具鋼。(2)化學試劑腐蝕法。鋼材經不同溫度的淬火一回火處理后，磨光并用飽和苦味酸水溶液和新潔爾滅幾滴浸蝕能抑制馬氏體組織，促使奧氏體晶界的顯示?；蛘咧苯佑名}酸1～5mL、苦味酸(飽和的)和乙醇浸蝕，使馬氏體直接顯示出來，利用馬氏體深淺不同和顏色的差異而顯示出奧氏體的晶粒大小，此法適用于合金化程度高的能直接淬硬的鋼。(3)控制冷卻速度法。低碳鋼、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼可控制冷卻速度使鋼的奧氏體周圍先共析析出網狀鐵素體、網狀滲碳體，或使屈氏體沿晶界少量析出以顯示出奧氏體晶粒。馬氏體熱強鋼在臨界點溫度以上為奧氏體狀態(tài)，在快冷時發(fā)生馬氏體轉變，由于冷卻速度較快，這樣固溶在奧氏體中的碳來不及析出，就形成了碳在奧氏體中的過飽和固溶體，也就馬氏體。形成的馬氏體板條耐腐蝕性較差，而且由于冷卻速度較快，原奧氏體晶界的碳化物來不及析出，晶界耐蝕性較好，這樣在后續(xù)的晶粒度腐蝕過程中，馬氏體板條優(yōu)先腐蝕，而晶界耐腐蝕，則晶界不易出現，這往往會導致在檢測晶粒度過程中出現了組織而晶粒沒有出現的現象。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于提供一種馬氏體熱強鋼及其晶粒度顯示方法，采用該方法可以解決檢測馬氏體熱強鋼晶粒度時晶界不顯現的問題，腐蝕時具有不用加熱腐蝕液，該方法具有操作簡單，易于掌握等特點。為了達到上述目的，本發(fā)明是這樣實現的：本發(fā)明的馬氏體熱強鋼采用真空感應爐冶煉，形成鋼錠。其化學成分組成重量百分比為：C：0.05～0.15％，Si：≤0.7％，Mn：≤0.8％，P：≤0.020％，S：≤0.020％，Cr：13.0～15.0％，Ni：4.0～4.5％，Mo：2.0～2.5％，W：3.0～4.0％，Nb：0.15～0.35％，N：0.30～0.35％，其余為Fe和不可避免的雜質。本發(fā)明的馬氏體熱強鋼使用前要經過淬火+回火處理。為了能在晶粒度腐蝕過程中清晰的顯現晶界，首先從淬火后的工件上切取圓柱試樣，Ф15mm×15mm。將試樣放入熱處理爐中，700～720℃加熱30～40分鐘，然后放入水中冷卻。晶粒度試樣分別在200目、500目、800目和1000目的金相砂紙上打磨后，在金相拋光機上拋光，觀察試樣表面，待試樣表面無肉眼可見劃痕以及缺陷后，進行腐蝕。腐蝕液配比為：100ml蒸餾水，2～3g的分析純的CuCl2，7～8g的分析純的FeCl3，5～7ml的濃HNO3，3～4g的飽和苦味酸，3～4ml的白貓牌洗潔精。用棉球輕蘸腐蝕液，在試樣表面輕輕擦拭，直到試樣表面顏色變暗為止，用清水沖洗，用吹風機吹干，放在顯微鏡下進行觀察、檢測晶粒顯示。本發(fā)明的關鍵在于：首先提供了一種性能優(yōu)良的馬氏體熱強鋼，其次通過采用合適的加熱工藝以及合適的腐蝕液配比，獲得了理想的晶粒顯示方法，解決了馬氏體熱強鋼晶粒不易顯現的問題，保證了材料的正常供貨。對于馬氏體鋼熱強而言，合金元素含量都較高，Cr含量通常都在12％以上，因為熱強鋼要求高溫下具有良好的抗氧化特性，而Cr元素又是一種能夠明顯提高材料抗氧化作用的元素。同時，為了增加在高溫下的強度和持久、蠕變性能，在鋼中通常要加入W、Mo、Nb、Co和N等強化元素，這就使馬氏體熱強鋼的合金元素含量更高。Cr元素的增加一方面增加了抗氧化性的同時，也增加了材料的抗腐蝕性，這也是馬氏體熱強鋼晶粒度不易腐蝕的一個重要原因。馬氏體熱強鋼通常淬火溫度較高，在淬火溫度下一些合金碳化物都已充分溶解，在隨后的快速冷卻過程中，合金碳化物來不及析出，在后面的晶粒度腐蝕過程中就不容易看到晶界。而馬氏體板條不耐腐蝕，所以在顯示晶粒度過程中先顯示出了組織。本發(fā)明中采用重新加熱的方法，將試樣加熱到合金碳化物析出溫度，并保溫一段時間，讓合金碳化物充分析出，本發(fā)明鋼種的這種碳化物主要是M23C6型碳化物。本發(fā)明鋼種中的M23C6型碳化物的析出溫度為450～1050℃，并且首先在原奧氏體晶界析出，因此再經過一次加熱處理的試樣經過腐蝕后就很容易在晶界最先腐蝕，晶界也就能清晰的顯現出來了。加熱溫度不能太高，否則會引起晶粒長大，測出的晶粒度不準確。同時加熱溫度也不能太低，加熱溫度低，在晶界析出的M23C6不充分，數量少，形態(tài)小，也會給腐蝕過程帶來困難。本發(fā)明中的馬氏體熱強鋼的最佳加熱溫度就是700～720℃。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：提供了一種新型的馬氏體熱強鋼，這種熱強鋼具有良好的力學性能，可以用來制造在高溫下工作的零部件；另外同時提供了一種適用此類馬氏體熱強鋼顯示晶粒度的方法，采用這種方法可以很好的解決馬氏體熱強鋼晶界不易腐蝕的問題，方便了材料的組織檢驗。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例中1#鋼的晶粒度照片。圖2為本發(fā)明實施例中2#鋼的晶粒度照片。圖3為本發(fā)明實施例中3#鋼的晶粒度照片。圖4為本發(fā)明實施例中4#鋼的晶粒度照片。圖5為本發(fā)明實施例中5#鋼的晶粒度照片。圖6為本發(fā)明實施例中6#鋼的晶粒度照片。圖7為本發(fā)明實施例對比照片(淬火后直接腐蝕，未經再加熱)(1#鋼)。圖8為本發(fā)明實施例對比照片(淬火后直接腐蝕，未經再加熱)(2#鋼)。具體實施方式下面結合一個典型實施例對本發(fā)明作進一步說明。本實施例中，采用1噸真空感應爐冶煉，先后冶煉了6爐，每支鋼錠重約1噸。表1本發(fā)明實施例化學成分(wt％)冶煉的6爐馬氏體熱強鋼的具體成分如表1所示。6爐鋼制得的零件經過淬火后，分別從工件上切取Ф15mm×15mm的圓柱形試樣。將試樣放入熱處理爐中，700～720℃加熱30～40分鐘，然后放入水中冷卻。這6爐鋼的試樣再加熱的溫度和時間見表2。然后這6個試樣分別在200目、500目、800目和1000目的金相砂紙上進行打磨，在金相拋光機上拋光，觀察試樣表面，待試樣表面無肉眼可見劃痕以及缺陷后，進行腐蝕。腐蝕液配比為：100ml蒸餾水，2～3g的分析純的CuCl2，7～8g的分析純的FeCl3，5～7ml的濃HNO3，3～4g的飽和苦味酸，3～4ml的白貓牌洗潔精。這6爐鋼的試樣采用的腐蝕液配比見表3所示。用棉球輕蘸腐蝕液，在試樣表面輕輕擦拭，直到試樣表面顏色變暗為止，用清水沖洗，用吹風機吹干，放在顯微鏡下進行觀察、檢測。6爐鋼的晶粒度照片見圖1所示，1#鋼和2#鋼經過淬火后，直接采用飽和苦味酸直接腐蝕后的照片見圖2。從中可見，經過采用本發(fā)明中的方法，馬氏體熱強鋼的晶粒度清晰可見，而未經過再加熱，采用傳統的腐蝕方法只能得到馬氏體組織照片。這6爐鋼經淬火+回火后的力學性能見表4。表2本發(fā)明實施例試樣再加熱溫度和時間爐號加熱溫度(℃)保溫時間(分鐘)冷卻方式171030水冷271030水冷372040水冷472040水冷570040水冷670030水冷表3本發(fā)明實施例中腐蝕液配比蒸餾水(ml)CuCl2(g)FeCl3(g)濃HNO3(ml)飽和苦味酸(g)白貓牌洗潔精(ml)腐蝕液110027533腐蝕液210027634腐蝕液310038744表4本發(fā)明實施例力學性能當前第1頁1 2 3