氮合金化对马氏体不锈钢组织和性能的影响

目前，我国用于制造不锈轴承的材料主要为9Cr18及9Cr18Mo，后者相比前者添加Mo以细化晶粒并提高钢的淬透性和热强性能。由于钢中碳、铬含量较高，使得该系列轴承钢拥有良好的耐磨性能及一定的耐腐蚀性能。但较高的碳含量在常规热处理过程中容易发生表面脱碳而直接影响产品的加工和使用。并且较高的C、Cr含量在冶炼凝固过程中极易出现成分偏析区而形成难以消除并分布于晶界处的富Cr型共晶碳化物，既严重影响轴承的性能稳定性、表面质量和加工精度，同时所导致的基体贫Cr对轴承的耐腐蚀性能具有不良影响。

氮作为比碳作用更强的间隙强化元素，更小的原子半径使其在固溶于基体的同时还可少量溶于碳化物中，可有效地抑制合金中碳化物沿晶界大量析出，从而减少了碳化物与合金基体间的适配度及界面能；氮还能够部分替代Ni、Mn、Mo等合金元素提高钢的耐腐蚀性能。此外，国内外关于高氮钢的研究表明，由于氮元素的加入，钢的强度、断裂韧性、耐磨性能以及抗腐蚀性能等得到了有效的改善。对钢性能的改善可归因于氮元素在钢中的独特性能，氮能促进弥散分布细小氮化物的析出，从而增强其耐磨性能。

新冶高科技集团有限公司研究人员采用降碳-增氮工艺以有效提高钢的韧性、耐磨性能及耐腐蚀性能，并开展对马氏体不锈轴承钢经氮合金化前后及热处理后的力学性能和微观组织的研究，并探讨氮元素的加入对马氏体不锈轴承钢性能和微观组织影响原因。

实验以高氮马氏体不锈钢为主，并以未添加氮元素的马氏体不锈钢作为对比。两种实验钢除氮元素含量不同外，其他元素含量均相同。实验钢采用非真空冶炼和电渣重熔制得。熔炼后的钢锭在1100℃开始锻造，终锻温度约为900℃，棒料的终锻尺寸为60mm，随后置于空气中冷却至室温。研究结果表明：

（1）氮合金化后的马氏体不锈钢轴承钢在经过热处理后，抗拉强度为2188MPa，屈服强度为1812MPa，硬度达到58.7HRC，比未添加氮元素的马氏体不锈钢分别提高了20%、26%和21%。同时，钢的冲击韧性没有明显降低，很好地满足了轴承钢对高强度、高硬度和一定韧性储备的需求。

（2）氮合金化处理对马氏体不锈钢中碳化物的析出行为的影响较大。氮的加入能显著减小碳化物尺寸，改善碳化物分布，同时抑制了马氏体不锈钢中大块沉淀相（主要是M23C6相）的析出，降低了碳化物所占面积比例。

（3）氮元素的固溶强化作用和纳米级碳氮化合物的沉淀强化是导致含氮马氏体不锈钢强度和硬度提升的主要原因。