熱處理工藝對17-4PH不銹鋼組織和力學性能的影響

王旭明, 何文武, 魏海東, 常 鑫

(1. 蘭州蘭石集團有限公司 鑄鍛分公司, 甘肅 蘭州 730300; 2. 甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730300; 3. 太原科技大學 材料科學與工程學院, 山西 太原 030024)

頁巖油氣是一種非常規油氣,國家能源局將加強頁巖油勘探開發列入“十四五”能源、油氣發展規劃。水力壓裂技術是頁巖油氣資源開發的重要工藝,隨著中國的頁巖油勘探開發不斷提速,對壓裂泵壽命提出了更高的要求。17-4PH鋼屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼,國內牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb,具有良好的強韌性匹配和耐蝕性能,是提高壓裂泵使用壽命的重要選材。為了深入研究熱處理工藝對17-4PH不銹鋼組織和性能的影響,本文采用不同的熱處理工藝參數進行熱處理試驗,對比不同熱處理工藝參數對17-4PH不銹鋼組織和性能的影響,為提高壓裂泵使用性能提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用17-4PH不銹鋼是經EAF-LF-VOD-ESR工藝路線冶煉,采用10MN快鍛機組鍛成6支尺寸為180 mm×180 mm×220 mm的試樣。其化學成分見表1。

表1 17-4PH不銹鋼的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of the 17-4PH stainless steel (mass fraction, %)

表2 熱處理試驗方案Table 2 Test procedures of heat treatment

1.2 熱膨脹試驗

采用Gleeble1500D熱模擬試驗機進行熱膨脹試驗,試樣尺寸如圖1所示,加熱速度為2 ℃/s,加熱到1100 ℃,獲得熱膨脹曲線如圖2所示。由圖2可知,17-4PH沉淀硬化不銹鋼在加熱過程從室溫到710 ℃,直徑隨著變形溫度的升高線性增加,710～800 ℃之間直徑不隨溫度的升高而線性變化,由于馬氏體組織比奧氏體組織體積大,因此在轉變過程直徑方向的尺寸隨溫度升高反而降低,當溫度達到800 ℃后,馬氏體組織全部轉變為奧氏體組織,此后直徑尺寸的變化隨溫度的升高呈現線性變化,因此17-4PH不銹鋼的Ac1約710 ℃,Ac3約800 ℃。

圖1 熱膨脹試樣尺寸Fig.1 Dimensions of thermal dilatometer specimen

圖2 17-4PH不銹鋼的熱膨脹曲線Fig.2 Thermal dilatometric curve of the 17-4PH stainless steel

1.3 熱處理試驗

采用高精度程控箱式電阻爐,對6支鍛造后的試樣進行熱處理試驗。根據已測得17-4PH不銹鋼的Ac1和Ac3溫度,制定熱處理試驗方案[1],固溶和中間調整處理保溫時間按照1 min/mm計算,時效保溫時間按照2 min/mm計算。研究固溶溫度、中間調整和時效溫度對17-4PH不銹鋼組織和性能的影響。

依據ASTM A370—2021《鋼制品機械試驗的標準試驗方法和定義》在試樣心部取樣,制備拉伸、沖擊試樣,采用600 kN微機控制電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗,采用洛氏硬度計進行硬度檢測,每個試樣測試5個點,去掉最高和最低值,其余3個取平均值。采用微機控制擺錘沖擊試驗機測定20 ℃沖擊吸收能量。對熱處理后的試樣進行拋光,用高氯化鐵鹽酸溶液(5 g FeCl3+15 mL濃鹽酸+75 mL蒸餾水)進行侵蝕,采用GX51光學顯微鏡對材料進行組織觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

鍛后未經熱處理的試樣顯微組織如圖3(a)所示,為馬氏體和殘留奧氏體組織,馬氏體板條寬、長,晶粒較粗。對試樣1固溶后取樣進行顯微組織觀察,為馬氏體組織,馬氏體板條位向關系清晰,板條粗大[2],如圖3(b)所示。對試樣2中間調整后取樣進行顯微組織觀察,如圖3(c)所示,馬氏體組織均勻細小,晶界清晰呈網狀,碳化物顆粒在馬氏體和奧氏體內析出。可能是因為中間調整過程中原始奧氏體晶界產生逆轉變奧氏體,彌散、均勻分布[3]。

對6組試樣時效后的顯微組織進行分析[4],如圖4所示,顯微組織均為馬氏體和少量奧氏體組織,其中深色區域為回火馬氏體組織,白色區域為殘留奧氏體或逆轉變奧氏體組織。對比試樣1和試樣2時效后的金相照片,發現試樣1未進行中間調整,時效后回火馬氏體呈板條狀,板條束間夾角、相界面清晰;試樣2及其他試樣進行了中間調整處理,時效后組織細小,馬氏體塊較小,析出物彌散分布,這是因為中間調整降低了逆轉變奧氏體析出峰溫度,馬氏體板條和奧氏體晶粒得到細化,馬氏體發生逆轉變形成的逆轉變奧氏體較穩定,時效后組織遺傳了中間調整處理組織特征[5]。試樣2和試樣3時效后顯微組織沒有明顯差別,如圖4(b,c)所示。對比試樣2、4、5、6時效后顯微組織,發現時效溫度從500 ℃升高至560 ℃,隨著時效溫度的不斷升高,在奧氏體和馬氏體板條界-亞晶界更容易形成逆轉變奧氏體;ε-Cu、NbC等析出相細小彌散分布于回火馬氏體基體內[6],如圖4(b,d～f)。

2.2 力學性能

表3為6組試樣熱處理后的力學性能。試樣1的強度明顯高于其余5組試樣,抗拉強度達到1130 MPa,同時沖擊吸收能量最低,為42.6 J;試樣2的沖擊吸收能量最高,達到137.0 J,強度最低,抗拉強度為970 MPa;試樣3的抗拉強度為980 MPa,略高于試樣2。分析數據可知,采用固溶時效工藝進行熱處理,較在固溶后增加中間調整的試樣,強度明顯更高,韌性較差[7];調高固溶溫度,金屬化合物固溶度提高,強度略有提高[8]。在500～560 ℃溫度區間內,隨著時效溫度的升高,抗拉強度逐漸下降,沖擊性能提高,這是因為17-4PH不銹鋼在480 ℃以上發生過時效,過時效溫度越高,逆轉變奧氏體轉變速率越快,含量越多,ε-Cu、NbC等析出相在逆轉變奧氏體中較粗大、稀疏,降低了析出相對位錯的阻礙作用,從而降低屈服強度[9]。硬度也隨著時效溫度的升高有所下降[10]。

表3 17-4PH鋼試樣的力學性能Table 3 Mechanical properties of the 17-4PH steel specimens

3 結論

1) 固溶后先進行中間調整處理,組織更均勻細小,可以顯著提高17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼的沖擊性能,但會明顯降低材料強度,可以根據材料的使用工況條件,調整熱處理工藝,增加中間調整處理。

2) 隨著固溶溫度的提高,17-4PH不銹鋼的強度會有提高,但提升效果不明顯,影響強度的主要因素是析出與基體共格沉淀的富銅相的數量和大小。

3) 隨著時效溫度的逐漸提高,淬火馬氏體轉變速率加快,逆轉變奧氏體含量增加,提高了17-4PH不銹鋼的沖擊性能,同時會降低材料的強度。