17-4PH 馬氏體沉淀硬化型不銹鋼在熱處理下的性能分析

蘇學(xué)虎

（江蘇萬恒鑄業(yè)有限公司，江蘇 鹽城 224500）

17-4PH 不銹鋼屬于典型的低碳馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，該鋼鎳含量較低，Ms 點(diǎn)高于室溫。17-4PH 不銹鋼耐蝕性和高溫抗氧化性均良好，在400℃以下具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，但該鋼固溶后為板條馬氏體組織，即使在過時效狀態(tài)下，延展性仍不能滿足冷作深變形的要求，且在400℃以下長期使用時有脆化傾向。薄膜透射電鏡觀察板條內(nèi)有大量位錯、極少量孿晶、在板條馬氏體上分布有大量較粗大和精細(xì)的析出相，并且在時效后的組織中含有部分殘余奧氏體和少量的δ 鐵素體。高強(qiáng)度狀態(tài)下，在某些介質(zhì)中有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在硫酸中耐蝕性良好。該鋼因時效析出富銅相，故在氧化性酸中，時效態(tài)比固溶態(tài)的耐蝕性差，在海水中有較高的疲勞強(qiáng)度。17-4PH 不銹鋼通過高溫正火進(jìn)行組織預(yù)調(diào)整，消除粗大樹枝晶及鑄造應(yīng)力，細(xì)化晶粒[1]。

1 17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼

通過固溶處理得到板條馬氏體并在時效過程中析出細(xì)小彌散的富銅相、NbC、合金碳化物等第二相硬質(zhì)點(diǎn)。此不銹鋼在高溫時組織為γ+δ，淬火后為板條馬氏體+δ 鐵素體+少量殘余奧氏體的復(fù)相組織。國內(nèi)外常用17-4 不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下。

（1）GB/T2100-2002 中一般用耐蝕鋼鑄件牌號為ZG05Cr17Ni4Cu4Nb。

其化學(xué)成分如下表1 所示。力學(xué)性能要求如下表2 所示。

表1 試驗(yàn)17-4PH 鋼的化學(xué)成分（%）

表2 17-4PH 鋼的力學(xué)性能要求

（2）ASTM A747/A747M 不銹鋼鑄件牌號為CB7Cu-1H1100。化學(xué)成分如下表3 所示。

力學(xué)性能要求如下表4 所示。

2 17-4PH鋼化學(xué)成分分析

2.1 Ni、Cr、Cu、Nb、C、N、Si、Ti、Mn

Cu 作為較弱奧氏體形成元素，增加少量銅不會引起組織變化，銅的主要作用是在時效時析出富銅相且彌散分布于基體上，對基體產(chǎn)生二次硬化，提高材料強(qiáng)度和硬度。17-4PH 含銅不銹鋼經(jīng)過固溶形成含有高密度位錯亞結(jié)構(gòu)的板條馬氏體，由于大量纏結(jié)位錯形成位錯胞可供位錯運(yùn)動，板條馬氏體中的局部形變區(qū)域既可以為銅的擴(kuò)散提供通道，又能為析出相的形核提供能量，銅可提高此類不銹鋼的耐蝕性。但銅含量過高也會產(chǎn)生晶界偏析，弱化晶界，從而降低塑性、韌性，它是17-4PH 鋼開裂原因之一。Nb 作為強(qiáng)碳化物形成元素，所形成的碳化物具有極強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，有助于細(xì)化晶粒并且提高不銹鋼耐蝕性。但是鈮元素是鐵素體形成元素且有偏析傾向容易使17-4PH 鋼開裂。故鈮含量也不宜過高。C 溶于奧氏體并保留在板條馬氏體基體中，引起晶格畸變產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，故碳含量增加，強(qiáng)度、硬度增加。N 作為強(qiáng)奧氏體形成元素，有效擴(kuò)大γ 相區(qū)，隨氮含量升高，17-4PH 鋼中的鐵素體含量減少，氮以間隙方式固溶于晶格并形成間隙固溶體，可以細(xì)化合金碳化物質(zhì)點(diǎn)尺寸改善其在基體上的分布狀態(tài)。Si 能提高不銹鋼在酸性環(huán)境下的耐蝕性，17-4PH 鋼中加入3%～4%的硅，可以有效提高鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力。Cr、Mo、Nb 等是縮小γ 相區(qū)的元素，這些元素本身是體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，使得α 鐵體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。Ni、Mn、Cu 等合金元素是擴(kuò)大γ 相區(qū)元素，這些元素本身為面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，加入鋼中使得γ 鐵面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。Mn 擴(kuò)大γ 相區(qū)的能力比鎳小，由于含錳奧氏體有足夠的穩(wěn)定性，在冷至室溫的過程中不發(fā)生相變。C 和N 是擴(kuò)大γ 相區(qū)的元素，當(dāng)加入17-4PH鋼中的C 和N 含量較多，奧氏體在冷卻時容易發(fā)生共析分解。另外，C 與Cr 形成Cr23C6，產(chǎn)生晶間腐蝕，可以采取高溫固溶處理，將含鉻碳化物全部溶解在奧氏體中，然后水冷，得到細(xì)小的M+AR+少量鐵素體，盡可能使C%≤0.07%，從而使Cr23C6 碳化物無法析出。加鈮或鈦改變析出碳化物類型，由于鈮或鈦與碳的結(jié)合能力大于鉻，這些元素含量足夠時只會形成NbC 或TiC等穩(wěn)定型碳化物。改變晶界上Cr23C6 碳化物析出的數(shù)量及分布狀態(tài)也能消除晶間腐蝕，有兩種方法：①調(diào)整鋼化學(xué)成分，先使得鋼是A+F 復(fù)相組織。②預(yù)冷變形[2]。

表3 試驗(yàn)17-4PH 鋼的化學(xué)成分（%）

表4 17-4PH 鋼的力學(xué)性能要求

表5 試驗(yàn)17-4PH 鋼的最終化學(xué)成分（%）

2.2 P、S

一般中頻爐+AOD 雙聯(lián)下高溫鋼液中P 含量不容易降低，為降碳保鉻保證煉鋼原料潔凈有助于降磷而減少鉻的燒損，P 在鋼中引起冷脆，S 在鋼中引起熱脆。

以上分析可以得出化學(xué)成分最佳的范圍如表5 所示。

3 17-4PH含銅不銹鋼熱處理工藝

17-4PH 含銅不銹鋼的四種熱處理工藝如下所示：

（1）一般17-4PH 不銹鋼時效態(tài)硬度高，最高可達(dá)400HB以上，而固溶態(tài)下硬度較低，一般在360HB 以下。為使得強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性的配合，同時保證屈強(qiáng)比≥0.8，要求F%≤5%，若鐵素體含量過高，會破壞組織均勻性，降低塑性，使材料在加工過程中開裂。提高強(qiáng)度主要取決于C、Mn、Cu 含量，提高韌性主要取決于Ni 含量。由于合金元素含量高，在材料前期軋制和鍛造時容易形成不良組織，出現(xiàn)時效后無強(qiáng)化或強(qiáng)化不良現(xiàn)象。原因是材料長期放置發(fā)生了自然時效。內(nèi)部合金元素緩慢地向晶界附近擴(kuò)散聚集釘扎鎖住晶界造成對原始晶粒的強(qiáng)化。采用進(jìn)行兩次固溶，使晶粒細(xì)化、成分均勻，其熱處理工藝如圖1 所示[3]。

圖1 兩次固溶處理+時效

（2）整個時效過程中，因?yàn)轳R氏體板條邊界和原奧氏體的晶界處會產(chǎn)生淬火馬氏體向奧氏體的緩慢逆轉(zhuǎn)變，主要將奧氏體以細(xì)小的形式表現(xiàn)出來且以富銅相作為奧氏體的核心，整體穩(wěn)定性比較強(qiáng)。時效溫度高，逆變奧氏體在降低材料強(qiáng)度同時會提高材料塑性改善韌性。增加800℃中間處理雖然在一定程度上影響到材料的強(qiáng)度，但是依然可滿足基本使用要求，熱處理工藝圖如圖2 所示。

圖2 固溶處理+中間處理+時效

（3）該工藝可控制高溫奧氏體成分從而控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，使Ms 高于室溫，實(shí)現(xiàn)馬氏體相變的最佳效果。較高的時效溫度會導(dǎo)致淬火馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并以殘余奧氏體的形式被保留，所以塑性和韌性有所增加。采用油冷產(chǎn)生均勻細(xì)小的馬氏體組織，合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。熱處理工藝為在≤650℃進(jìn)爐，固溶處理，油冷至≤250℃出油空冷至室溫，490℃時效處理，其熱處理工藝圖如圖3 所示。

圖3 固溶（油冷至250℃出油空冷）+時效

（4）先用高溫正火即均勻化處理來細(xì)化晶粒改善原始組織，該熱處理工藝分為3 個步驟：均勻化處理+固溶處理+沉淀硬化處理。如圖4（a）、（b）、（c）所示。

圖4 （a）均勻化處理，（b）固溶處理，（c）沉淀硬化處理

4 結(jié)論

（1）17-4PH 含銅不銹鋼具有不銹鋼的一般特征，具有很好的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性，一定的塑性、韌性。

（2）原始組織對熱處理有很大影響，17-4PH 含銅不銹鋼相和組織的遺傳傾向比較大，控制原始組織很重要。

（3）控制高溫δ 鐵素體含量，控制鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，即控制鐵素體形成元素和奧氏體形成元素加入量[4-6]。

（4）采用中間處理可以得到優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

（5）對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型鑄件，先用正火消除粗大樹枝晶、減輕偏析使成分均勻化、釋放鑄造應(yīng)力、細(xì)化原始晶粒，減小裂紋傾向。

（6）17-4PH 含銅不銹鋼結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，最佳熱處理工藝為高溫均勻化處理+固溶處理+沉淀硬化處理，采用具有循環(huán)水系統(tǒng)的大水池實(shí)施冷卻。