碳含量對15-5PH沉淀硬化不銹鋼板材的組織與性能的影響

劉振寶, 梁劍雄, 楊志勇, 古立新, 張秀麗, 孫常亮

(1.鋼鐵研究總院結構所,北京 100081;2.北京航空材料研究院,北京 100095;3.撫順特殊鋼股份有限公司 遼寧撫順 113001)

早在1934年美國Foloy[1]獲得了沉淀硬化不銹鋼專利,于四十年代正式用于軍工,后來又推廣到民用。在第二次世界大戰期間,由于要求高強度,高耐蝕性材料,美國Carnagic Illinors公司于1946年發表了第一個馬氏體沉淀硬化不銹鋼Stainless W[2], 1948年美國Armco Steel公司發表了17-4PH和17-7PH[3],其中 17-4PH鋼應用最為廣泛,但由于該鋼的組織中含有一定的δ-鐵素體,破壞了鋼的橫向韌、塑性能,于是在17-4PH鋼的基礎上,通過降 Cr,增Ni來減少鋼中鐵素體含量,提高鋼的橫向性能而發展出了15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)。

15-5PH鋼具有高強度、好的橫向韌性,熱處理工藝簡單,變形小,使用性能、工藝性能兼備等特點,已在飛機、艦船、導彈殼體等關鍵部件上得到廣泛的應用。隨著航空技術的飛速發展,鋼在飛機上所使用的比重逐漸降低,因此需要高強度的鋼材來實現飛行件結構上的減重,近年來,一些(超)高強度鋼種的國產化進程進入了空前的快速發展階段,特別是沉淀硬化不銹鋼,例如15-5PH,PH13-8Mo,Custom465,AM355等等。國內特殊鋼企業對15-5PH鋼棒材的工程化研究技術較成熟[4],但是對 15-5PH鋼中厚板材的研發尚屬于空白,為了滿足某型號飛機對 15-5PH鋼板材的需求,本文參照了美AMS5862F規范,設計并優化了15-5PH鋼的合金成分區間,得到了碳含量不同的 3爐實驗鋼,最終得到綜合性能優越的15-5PH鋼的合金成分與制造工藝參數,為15-5PH鋼板材的工程化提供了重要的實踐基礎。

1 實驗材料與方法

采用真空感應爐熔煉(VIM 50Kg)熔煉,鋼的化學成分見表 1。表中 3爐試樣鋼中除了碳含量有所差異外,其余元素的含量基本相同,鋼錠經過1150℃加熱和均勻化處理后,鍛成規格為 60mm厚×100mm寬的板坯,在1 板坯上取高溫拉伸試樣,得到如圖 1所示性能曲線,由圖 1可知,當溫度大于900℃時鋼的強度明顯下降,而塑性顯著提高,而當溫度大于 1100℃時強度雖然繼續下降,但是鋼的塑性明顯下降,可見,該鋼在 900℃～1100℃具有良好的塑性,適合進行板材的軋制,在國產 2輥 350軋機軋成 δ15mm規格的板材,板材經過 1040℃固溶處理,保溫 50min,空冷,再經過 480℃,510℃,550℃, 580℃,620℃時效處理,空冷。

室溫拉伸與高溫拉伸試樣分別參照 GB/ T228—2002和 GB/T43389—2006標準進行力學性能試驗。采用金相光學顯微鏡(MEF 4M型)和透射電鏡(H-800)觀察和分析了鋼的微觀組織結構,用PHILIPSAPD-10 X射線衍射儀分析了鋼中的奧氏體體積分數,采用FormastⅡ熱模擬實驗機測得鋼的相變點。

表1 實驗鋼主要化學成分(質量分數/%)Table1 The analysis of chemical composition(mass fraction/%)

圖1 試樣的高溫拉伸性能曲線Fig.1 Mechanical properties at elevated temperature of test steel 1#

2 試驗結果與分析

2.1 碳含量對鋼的相變點的影響

圖2為含碳量對實驗鋼的相變點的影響,結合表 1中鋼的合金成分,從圖 2中可以看出,1#鋼的Ac1,Ac3,Ms相變點溫度均高于2#,3#鋼,而且2#鋼的相變點高于 3#鋼,即隨著鋼中含碳量的增加鋼的相變點溫度逐漸降低,圖 b中,1#鋼的 Ms溫度為200℃,2#鋼為 175℃,3#鋼為 165℃,值得一提的是,馬氏體相變點Ms溫度的高低將會影響固溶處理后鋼中的殘余奧氏體的數量,殘余奧氏體數量過多,鋼的強度將會下降。

2.2 含碳量對鋼的力學性能的影響

圖3為時效溫度對鋼的力學性能的影響,固溶工藝為1040℃保溫50min,空冷。從圖3a中可以看出,隨著時效溫度的升高,鋼的強度逐漸下降,當溫度大于 550℃時,鋼的屈服強度曲線下降的斜率均由緩變陡,由圖 2a可知,當溫度大于 550℃時鋼中將產生逆轉變奧氏體,從而導致屈服強度明顯降低;抗拉強度在 620℃時有上升趨勢,由于在該溫度已經進入了奧氏體轉變區域(如圖2a),生成的逆轉變奧氏體在隨后的冷卻過程中發生了二次馬氏體相變,從而使得鋼的抗拉強度有所提高。從圖3b中可以看出,塑性指標(Z%,A%)隨著時效溫度升高逐漸升高,在 580℃到達最高點之后開始下降,在620℃降低到最低點,這一點與圖 3a中抗拉強度在該溫度升高所對應,即由于馬氏體相變而使得強度提高,塑性下降。由于三爐實驗鋼的含碳量不同而表現出強度上的差異,在不同的時效溫度下,含碳量較低的 1#鋼的強度均高于 2#,3#鋼,另外從圖3中可以看出,3#鋼的抗拉強度低于AMS5862F標準值,而2#鋼與 AMS標準強度值十分接近,富裕量不多,考慮到韌塑性指標滿足要求的前提下(圖3b),要求強度越高越好,因此本文將選取 1#鋼的化學成分區間及工藝作為工程化的基準。

圖3 時效溫度不同對實驗鋼力學性能的影響Fig.3 Effect of aging temperature on mechanical p roperties of test steels

2.3 碳含量對鋼中逆轉變奧氏體體積分數的影響

圖4為時效溫度對逆轉奧氏體體積分數的影響,從圖中可以看出,在 480℃時效時 1#,2#,3#鋼中奧氏體含量分別為0.8%,1.0%,1.2%,隨著時效溫度的升高,逆轉變奧氏體體積分數逐漸增加,當溫度大于 550℃時生成逆轉變奧氏體體積數量快速增加,在 620℃時效時達到最大值;另外,含碳量較低的 1#鋼中生成逆轉變奧氏體數量低于 2#, 3#鋼的含量,而且在溫度高于 550℃時逆轉變奧氏體的生成速率也明顯低于其他兩爐鋼,由此可見,碳能夠增加鋼在時效中生成逆轉變奧氏體的驅動力,促進逆轉變奧氏體的生成,隨著碳含量增加逆轉變奧氏體生成的速率和數量均會有不同程度的增加,這也說明了圖 3a中,當時效溫度大于 550℃時鋼的屈服強度快速降低的主要原因,也間接地證實了圖3b中,雖然在 620℃時逆轉變奧氏體體積分數最多,但由于該溫度逆轉變奧氏體在冷卻過程中發生了馬氏體相變,而導致延伸率和斷面收縮率下降的現象。

圖4 時效溫度對鋼中奧氏體體積分數的影響Fig.4 Effectofaging temperatureon volume fraction ofaustenite

2.4 時效處理后鋼的顯微組織

圖5為 1#鋼經過 550℃,620℃保溫 4h時效處理后的金相組織,從圖中可以看出,經過時效處理后鋼的組織均為板條馬氏體組織,由于隨著時效溫度的升高,在鋼中會生成了大量的逆轉變奧氏體,因此從圖 5b可以看到在板條間大量的白色條狀組織,即為逆轉變奧氏體。

圖5 1#實驗鋼時效后金相組織Fig.5 Microstructure of 1#test steel after aging (a)550℃/4h;(b)620℃/4h

圖6為經過550℃/4h處理后鋼的TEM組織,從圖6a,b中可以看出,經過時效后在鋼中析出了大量的橢球狀強化相,經過對其衍射譜(圖6c)分析后得到指數化結果,如圖 6d所示,證實了該強化相為面心立方結構的富 Cu相,其點陣常數 a0= 0.3615nm,由圖6d可知,富Cu相與馬氏體基體間滿足如下關系：這一關系滿足 K-S關系。圖 7為經過 620℃/4h處理后鋼中析出大量富Cu相的TEM像,由衍射譜及指數化結果可知,富 Cu相與馬氏體間滿足：該關系仍為K-S關系,以上結果均與Habibi Bajguirani[5]所得到的結果相符合。由此可見,該鋼經時效處理主要析出的強化相為富 Cu相,即該鋼的主要強化方式主要是依靠富Cu相來實現的。

圖8為經過為經過 620℃×4h處理后鋼中逆轉變奧氏體與富Cu相的TEM組織,從圖8a,b中可以看出,經過高溫時效處理后鋼中生成塊狀的逆轉變奧氏體,這與圖 5b金相組織中白色條狀組織相對應,經過對其衍射譜圖 8c分析與標定后得到如圖8d所示指數化結果,結果顯示逆轉變奧氏體與馬氏體基體間有如下關系：該關系滿足K-S關系,圖8b暗場像是由斑點得到,并且在暗場像中不僅顯示了塊狀的逆轉變奧氏體而且有大量細小的富 Cu析出相,通過對富Cu相與逆轉變奧氏體晶面間距的比較(如表2),奧氏體與富Cu相均為面心立方結構,點陣常數分別為0.3590nm,0.3615nm,兩者的面間距非常接近,從而在圖 8c的衍射譜中奧氏體的富Cu相的{111}Cu重合,因此在圖8b暗場像中同時出現了逆轉變奧氏體與富 Cu相,該指數化結果與圖7c中相近似。

圖8 經過620℃×4h時效后1#鋼的TEM組織Fig.8 (a)and(b)Bright field and Dark field micrograph showing reverted austenite and Cu p recipitates after aging at 620℃for 4h;(c)and(d)Electron diffraction pattern showing the[1—00]M and the[1 1—0]γaustenite

表2 逆轉變奧氏體與富Cu相晶面間距對比Tab le 2 Comparison on Lattice spacing of Austenite and Cu precipitates

3 結論

(1)1#鋼的化學成分及工藝參數可作為 15-5PH沉淀硬化不銹鋼工程化的基準來進行工業化試制;

(2)時效后基體為板條馬氏體 +少量逆轉變奧氏體組織,同時析出了大量、細小的富Cu相,富Cu相是該鋼中的主要強化相,是強度提高的主要原因;

(3)15-5PH鋼板的最佳軋制溫度區間為900～1100℃,最終熱處理后含碳量較低的 1#鋼強度均高于2#鋼和3#鋼,而且具有良好的韌塑性與之匹配;

(4)在時效過程中隨著溫度的升高,含碳量較高的 2#鋼,3#鋼中生成的逆轉變奧氏體量及生成速率均高于 1#鋼,從而導致逆轉變奧氏體量較多,降低了鋼的強度。

[1]FOLOY B F.Hardened Alloy Steel and Process of Harden-ing Same[P].U.S.patent：1943595,1934-01-16.

[2]SMITH R,WYCHE E H,GORR W W.Trans AIME, 1946,(167)：77～95.

[3]CLARKEW C,et al.Alloy and method,Hardenable Iron Alloy[P].U.S.Patents：2482096;2482097;2482098. 1949-09-20.

[4]王敏,孫利軍,姚長貴,等.冶煉工藝對 15-5 PH鋼質量影響[J].熱處理技術與裝備,2008,29(4)：32～36.

[5]HABIBI Bajguirani H R.The effect of ageing upon them icrostructure and mechanical properties of type 15-5PH stain less steel[J].Material Science and Engineering(A), 2002,(338)：142～159.