調整處理對17-4PH鋼組織和性能的影響

王全振，那艷會，張暉瑾，馬超，陳鑫，劉爽慶

1.沈陽鼓風機集團股份有限公司 遼寧沈陽 110869

2.通用技術集團大連機床有限責任公司 遼寧大連 116000

1 序言

17-4PH鋼是典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有高強度、高韌性、抗腐蝕性、高耐壓性等優點，適用于多種條件和惡劣的工況條件服役，因此被廣泛用于壓力容器、飛行器和汽輪機葉片等領域。本文對17-4PH鋼進行了不同工藝的熱處理，包括固溶處理+時效和固溶處理+調整處理（溫度不同）+時效處理。調整處理的目的是降低奧氏體中的合金元素含量，以提高馬氏體轉變溫度Ms點。由于調整處理時一部分碳以及鉻、鈮等合金元素只能部分溶于奧氏體中，另一部分碳以及鉻、鈮等元素以碳化物形式從奧氏體中析出。改變調整處理溫度，可調整奧氏體合金元素的含量，從而導致鋼組織、性能發生變異[1]。本文重點研究調整處理溫度對17-4PH鋼顯微組織和力學性能的影響。

2 試驗材料及試驗方法

試驗材料為17-4PH鋼，試棒尺寸為φ100mm×100mm，其化學成分見表1。該材料是經電爐冶煉、鍛造成形，并經超聲波檢測合格。熱處理工藝試驗參數見表2。

表1 試驗材料的化學成分（質量分數） （%）

表2 熱處理工藝參數

3 試驗結果及分析

3.1 調整處理溫度對17-4PH鋼力學性能的影響

馬氏體沉淀硬化不銹鋼的強化機制包含了相變強化、時效強化、第二相強化等。馬氏體轉變指高溫奧氏體經快速冷卻，在較低溫度下發生無擴散切變形成體心正方的馬氏體；金屬材料固溶體中過飽和元素從基體中析出形成第二相粒子，該第二相粒子誘發應變，使得金屬材料晶格發生畸變，從而強化金屬，這是沉淀硬化的主要機理；時效處理是沉淀硬化不銹鋼熱處理過程中的最后一步，通過時效作用，基體材料的析出相逐漸沉淀出來，也因此獲得良好的綜合力學性能[2]。

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，在RSA250拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗；依據GB/T 229—2020《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用夏比V型試樣，在JWB-300型沖擊試驗機上進行沖擊試驗（結果取3個試驗的平均值）；使用Axiovert200MAT型光學顯微鏡觀察金相組織。

表3為17-4PH鋼經不同熱處理工藝力學性能測試結果。從中可以看出，1#試樣經固溶處理+時效處理的17-4PH鋼強度和硬度指標最高，但塑性指標不理想，沖擊吸收能量較低。此外，對比2#～4#試樣力學性能分析，隨著調整溫度的升高，17-4PH鋼強度和硬度值隨之增加，但塑性指標則隨之下降，以沖擊吸收能量下降尤為明顯。通過不同的調整處理溫度，使馬氏體轉變點升高，隨后的冷卻形成的馬氏體量增加；采用相同的時效溫度，形成的回火馬氏體也是增加的，因此隨著調整溫度的提高，強度隨之上升，塑性指標下降。

表3 力學性能測試結果

3.2 調整處理對17-4PH鋼顯微組織的影響

由于調整處理時，一部分碳以及鉻、鈮等合金元素只能部分溶于奧氏體中，另一部分碳以及鉻、鈮等合金元素以碳化物形式從奧氏體中析出。調整處理的目的是降低奧氏體中的合金元素含量，以提高馬氏體轉變溫度Ms點。隨著調整溫度的升高，部分碳以及鉻、鈮等合金元素以碳化物形式從奧氏體中析出的越多，這樣Ms點升高，固溶進基體的碳及合金元素的量減少，奧氏體穩定性下降，在隨后的快冷過程中獲得的馬氏體含量增高，殘留奧氏體含量下降。中間調整處理使材料的逆轉變奧氏體的析出峰溫度降低，導致材料的逆轉變奧氏體含量升高[3]。同樣的時效溫度馬氏體含量高，抗拉強度隨之上升，塑性指標下降。金相組織如圖1所示。

圖1 17-4PH鋼顯微組織

4 結束語

1）17-4PH鋼經固溶處理＋時效處理的顯微組織為板條馬氏體+少量奧氏體。

2）17-4PH鋼隨著調整溫度的升高，強度和硬度值增加，塑性指標略有下降。

3）本試驗條件下，如需獲得最佳的強化效果，則推薦工藝為固溶處理1050℃油冷+調整處理760℃油冷+時效處理610℃空冷。添加調整處理可以提高材料的塑性及抗沖擊性能。