1Cr17Ni2鋼穩(wěn)定化回火工藝研究

劉風(fēng)坤

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

1Cr17Ni2不銹鋼是一種發(fā)展較為成熟的熱強型馬氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，具有馬氏體不銹鋼的高強度和鐵素體不銹鋼良好的耐蝕性，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、核電等領(lǐng)域[1]。在航空領(lǐng)域，常將1Cr17Ni2鋼用于制造航空發(fā)動機壓氣機的整流葉片、輪、軸等零件。穩(wěn)定化回火是調(diào)質(zhì)處理后的回火，是合金鋼在熱處理過程中常見的處理方式，目的是為了在不影響材料性能的前提下消除零件在機械加工過程中出現(xiàn)的殘余內(nèi)應(yīng)力，從而使材料的成分、組織穩(wěn)固，進而達到穩(wěn)定零件尺寸的目的。然而在實際生產(chǎn)過程中，零件承制單位按照現(xiàn)行熱處理制度對1Cr17Ni2鋼制零件進行熱處理時發(fā)現(xiàn)：調(diào)質(zhì)處理后經(jīng)過穩(wěn)定化回火的零件，其硬度、強度出現(xiàn)大幅波動甚至出現(xiàn)硬度低于產(chǎn)品質(zhì)量要求的現(xiàn)象，極不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和穩(wěn)定。

為了解決此類問題，本研究首先針對該材料所采用的熱處理制度及在該制度下生產(chǎn)的零件進行復(fù)查分析；然后根據(jù)分析結(jié)論設(shè)計相應(yīng)的驗證試驗，驗證和分析結(jié)論的正確性，并在此基礎(chǔ)之上進行摸索性試驗，摸索出合理的穩(wěn)定化處理參數(shù)；最后總結(jié)出一套適用于尺寸為17 mm的1Cr17Ni2棒材在鍛造后執(zhí)行的熱處理制度，提升生產(chǎn)效率，降低廢品率，進而節(jié)約制造成本，為該材料在工程中的應(yīng)用提供一定參考。

1 熱處理制度及已制零件復(fù)查

某單位承制的燃氣渦輪發(fā)動機靜子葉片經(jīng)機械加工成成品零件后，進行洛氏硬度檢查時發(fā)現(xiàn)，實測硬度值不符合要求。為查明原因，對該單位執(zhí)行的熱處理制度和已制的成品、半成品零件進行復(fù)查。經(jīng)工藝復(fù)查，該單位采用的熱處理制度如下：退火（680℃，保溫4～5 h），淬火（油冷+1 005℃，50～60 min），回火（油冷+回火690℃，3～4 h），穩(wěn)定化回火（空冷+660℃×2 h）。經(jīng)臺賬復(fù)查，將已制零件穩(wěn)定化回火前與穩(wěn)定化回火后的硬度結(jié)果列于表1。

表1 1Cr17Ni2鋼葉片穩(wěn)定化回火前后硬度實測數(shù)據(jù)

通過表1可知，在現(xiàn)行的熱處理制度下零件的硬度4件中有3件達不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但在穩(wěn)定化回火前零件的硬度可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，在該熱處理制度下，穩(wěn)定化回火后零件的硬度較之前有明顯的降低。根據(jù)復(fù)查結(jié)果可推測現(xiàn)行熱處理制度造成最終零件硬度不達標(biāo)的原因可能是穩(wěn)定化回火處理的條件不合適。因此，可通過改變穩(wěn)定化回火的溫度驗證上述推論，同時摸索新的熱處理制度，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能。

2 實驗材料與方法

表2 熱處理驗證及參數(shù)摸索試驗組別

對熱處理后的實驗件按照相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)進行力學(xué)性能測試，拉伸試驗采用WAW-300型電子萬能拉伸機，沖擊韌性實驗采用濟南力領(lǐng)公司生產(chǎn)的沖擊實驗機，硬度測量采用HVD-1000IS型顯微硬度計。

3 實驗結(jié)果與分析

將1～7組試樣按照表2中不同熱處理制度實施熱處理后，進行拉伸、沖擊和硬度等力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

3.1 驗證試驗結(jié)果

3組和4組的實驗結(jié)果表明，在660℃進行穩(wěn)定化回火處理后與穩(wěn)定化回火處理前相比，材料的強度（抗拉強度和屈服強度）有明顯的下降，而塑性（斷面收縮率和斷后伸長率）和韌性（沖擊值）有一定的上升，硬度明顯下降。這就解釋了工藝單位在660℃對零件進行穩(wěn)定化處回火理后硬度有時會出現(xiàn)不達標(biāo)（硬度值偏低）的情況。1組和2組的實驗結(jié)果說明，無論是995℃淬火還是1 005℃淬火后進行穩(wěn)定化回火處理，都會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生相同趨勢的影響。

棒材壓扁的熱處理驗證實驗，雖然沒有模擬出硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求值的情況，但是模擬出1Cr17Ni2鋼在660℃下進行穩(wěn)定化回火處理時，材料硬度會出現(xiàn)降低的情況，與前述推論相符合。可見，穩(wěn)定化回火處理工藝參數(shù)（660℃，2 h，空冷）制定得并不合適，因此有必要開展實驗探索滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的穩(wěn)定化回火條件。

3.2 摸索試驗結(jié)果

硬度結(jié)果：3組、5組、6組的硬度實驗結(jié)果表明，1Cr17Ni2鋼在640℃、650℃穩(wěn)定化回火處理前后材料的硬度變化極小，并且比660℃穩(wěn)定化回火處理時的硬度稍高，也就是說，鋼材料在640℃/650℃進行穩(wěn)定化回火處理時材料的硬度不會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。7組的實驗結(jié)果表明，降低淬火溫度，增加回火次數(shù)，即使不進行穩(wěn)定化回火，也可以得到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的硬度。因此，從保證硬度的角度看，可選擇5～7組所采用的熱處理方式，以保證零件最終的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

微觀形貌結(jié)果：利用金相顯微鏡對5組和6組試樣在各自的熱處理制度下處理后的微觀組織形貌進行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可知，兩者均為回火索氏體，其中δ鐵素體的含量相當(dāng)，兩種熱處理方式后的組織形貌基本一致。由文獻[2]可知，1Cr17Ni2不銹鋼熱處理后的硬度與組織中δ鐵素體的含量存在一定關(guān)系。因此，選擇在650℃、640℃下進行穩(wěn)定化處理時，材料的硬度將為穩(wěn)定。

圖1 組織形貌圖

沖擊韌性結(jié)果：5～7組的沖擊實驗結(jié)果表明，采用穩(wěn)定化回火處理（一次回火）對材料最終的沖擊值沒有太明顯的影響，而采用多次回火的方式則可以大幅提高材料的沖擊韌性。這也集中體現(xiàn)了不同回火方式（穩(wěn)定化回火和硬回火）對1Cr17Ni2鋼沖擊值有著較大的影響，可能與該材料存在第二類回火脆性有關(guān)：經(jīng)過調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）的1Cr17Ni2不銹鋼組織含有M23C6碳化物、δ相、殘余Υ相、不穩(wěn)定相，在隨后的回火過程中上述相將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致組織強度、硬度、韌性等多項性能的變化。

拉伸性能結(jié)果：5～7組的拉伸實驗結(jié)果表明，試樣在3種熱處理制度的拉伸數(shù)據(jù)（強度及塑性）均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中第5組（650℃穩(wěn)定化回火處理）的拉伸數(shù)據(jù)更均衡。

3.3 試驗結(jié)果分析

從4～6組的實驗結(jié)果來看，材料的強度并沒有隨穩(wěn)定化溫度的變化呈規(guī)律的變化，反而是在650℃穩(wěn)定化處理后強度最高，這與航空材料手冊的描述不符。從該材料的相圖上可知，該鋼的奧氏體γ相區(qū)小，并且γ/γ+α相界面幾乎為直線（如圖2所示）[3]，可見化學(xué)成分的波動對熱處理后鋼的組織與力學(xué)性能的影響較大。因此，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是化學(xué)成分的波動造成的。

圖2 1Cr17Ni2不銹鋼相圖

對于穩(wěn)定化處理，一般來說采用低于材料回火熱處理溫度30℃，空冷1～2 h，可保證材料的組織與性能不發(fā)生明顯變化[4]。對于一次回火的1Cr17Ni2不銹鋼而言，可能是組織中含有尚未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體γ'相等，在隨后的穩(wěn)定化處理過程發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致材料硬度等性能發(fā)生較大的變化。這也就解釋了零件承制單位在采用660℃進行穩(wěn)定化處理時會出現(xiàn)硬度不達標(biāo)（偏低）的原因。結(jié)合5組和6組的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用650℃和640℃進行穩(wěn)定化處理時，材料的硬度與穩(wěn)定化處理前相比變化較小。一般而言，經(jīng)過熱處理后材料的硬度主要與其組織中δ鐵素體的含量有關(guān)，δ鐵素體含量的增多會使材料的硬度降低。影響δ鐵素體含量的因素除了材料中化學(xué)元素含量，還與熱處理的溫度有關(guān)。因此，通過改變穩(wěn)定化處理的溫度來穩(wěn)定材料的硬度是可行的。

綜上，對比5～7組實驗結(jié)果可知，3種熱處理方式都能夠得到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能；但為了得到更為均衡的力學(xué)性能，同時考慮到熱處理設(shè)備溫度控制精度的影響，推薦在640℃進行穩(wěn)定化處理。

4 結(jié)論

（1）對于1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理在選擇680℃退火，1 005℃淬火，690℃回火，660℃穩(wěn)定化處理的工藝路線加工時，穩(wěn)定化處理后材料的硬度明顯下降，這是造成零件硬度不達標(biāo)的主要原因。

（2）對于1Cr17Ni2不銹鋼的淬火+一次回火組織而言，選擇在640℃與650℃穩(wěn)定化處理時，材料的硬度相對穩(wěn)定化處理前變化不大，可保證其力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮到熱處理設(shè)備溫度控制精度的影響，推薦采用680℃退火，1 005℃淬火，690℃回火，640℃穩(wěn)定化處理的工藝路線。

（3）對于1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理，在選擇950℃進行淬火時，可通過采取多次回火的熱處理方式，保證1Cr17Ni2鋼制零件在硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時，得到較為均衡的力學(xué)性能。

（4）對1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理，無論是執(zhí)行多次回火處理還是執(zhí)行穩(wěn)定化處理，其最終結(jié)果都是在力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，降低材料強度，提高材料塑性。