17-4PH不锈钢热处理工艺

17-4PH 不锈钢( ASTM) 为马氏体沉淀硬化型不锈钢，相当于国标05Cr17Ni4Cu4Nb。该类型的不锈钢含碳量较低，含Ni、Cr 量高，焊接性好且具有较好的耐腐蚀性。同时该钢中Cu 和Nb 等合金元素含量也较高，这些合金元素在热处理过程中可析出时效硬化相ε-Cu、NbC、M23C6等，使材料具有较高的强度和硬度。基于以上优点，17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢广泛应用于航空、航天、化学和核工业等领域。      沉淀硬化不锈钢的力学性能与热处理状态有较大关系。17-4PH 马氏体沉淀硬化不锈钢的常规热处理工艺为固溶+ 时效处理，通过调整组织和控制析出相来提高强度、硬度和耐蚀性。目前对于17-4PH 不锈钢的热处理工艺研究已经相当成熟，本文对其不同热处理工艺下的性能及机理进行总结，并加以简述。117-4PH不锈钢的热处理     17-4PH 不锈钢的马氏体开始转变点在室温以上，经固溶处理后基体组织基本上是马氏体组织，其强度已经很高。在固溶处理的基础上进行不同的时效处理，可提高材料的强度，满足各种生产实际的需要。     17-4PH 不锈钢的化学成分( 质量分数，%) 为:≤0. 07C，≤1. 00Mn，≤1.00Si，≤0. 023P，≤0. 03S，15. 50 ～ 17. 50Cr，3. 00 ～ 5. 00Ni，3. 00～5. 00Cu，0. 15～0. 45Nb，其主要沉淀硬化元素是铜、铌，有的为铝、钛等，利用这些元素的溶解度来实现强化过程。17-4PH不锈钢加热到奥氏体温度时，由于这些强化元素在奥氏体中的溶解度较大，而在马氏体中的溶解度较小，当冷却到马氏体温度后，即得到过饱和铜、铌的马氏体组织，马氏体本身具有高强韧性，从而得到一定程度的强化; 再经时效处理后，溶解在基体组织中的过饱和铜、铌等元素析出，使材料得到进一步强化。因此可通过不同的热处理工艺来满足各种性能要求。1. 1 固溶处理     固溶处理是17-4PH 钢不可或缺的一道热处理工艺。固溶时，加热温度应保证钢中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中，但也不宜过高。17-4PH 钢的Ac1约为670 ℃，Ac3约为740℃，Ms 为80～140℃，Mf 约为32 ℃。因此标准中推荐的固溶温度为1020～1060 ℃。固溶温度不同，最终得到的组织与性能也不同。赵莉萍、杜大明等对17-4PH 钢在不同固溶温度下的组织和性能进行了研究，所选择的固溶处理温度为1000、1040 和1080 ℃。研究发现，经1040 ℃ 固溶处理后，试样硬度最高。这是由于当固溶处理温度较低时，加热得到的奥氏体不均匀，溶入的合金碳化物也很少，导致淬火后得到的马氏体硬度偏低; 当固溶温度较高时，一方面晶粒粗大，另一方面合金碳化物过多地溶入到奥氏体中，奥氏体的稳定性将增加，马氏体转变点下降，因此淬火后马氏体量减少，残留奥氏体量增加，硬度降低。同时过高的加热温度还可能使固溶组织中存在较多含量的铁素体，影响最终的强化效果。因此必须合理选择固溶温度，以保证所需的性能。      由于17-4PH 钢中含有铬、镍等元素，使得其在空冷时即可得到马氏体，但为了使固溶后组织更加细小，获得更好的强化效果，提高塑韧性，实际生产中多采用油冷方式。固溶处理后的显微组织是含有过饱和铜、铌的低碳板条马氏体，有时由于淬火不充分或者加热温度过高等原因，还会有少量残留奥氏体和铁素体。1. 2 时效处理    17-4PH 钢的时效处理应根据对性能的要求，确定加热温度和保温时间。有研究表明，17-4PH 钢在1040 ℃温度固溶后，随时效温度的升高，马氏体组织发生回火，且不断地析出沉淀相。450 ℃时效时已有铜、铌等沉淀相析出，到470～480 ℃时，晶内沉淀物颗粒细小且弥散分布，此时材料的硬度最高。之后，随时效温度的继续升高，硬度和强度下降，塑性、韧性提高。由于硬度和强度的变化规律类似，所以对硬度和强度有明确要求的工件，应严格控制时效温度，以满足使用要求。17-4PH 钢时效过程中强度和塑性的变化规律与0Cr15Ni5Cu2TiC 沉淀硬化不锈钢类似。      17-4PH 钢在510 ℃以上时效为过时效。侯凯等对17-4PH 钢在过时效下的冲击韧性进行了研究，研究指出，随时效温度的升高，材料的冲击韧度逐渐提高。为保证沉淀相的充分析出和时效效果，时效温度的保温时间一般不少于4 h，保温后可采用空气冷却。相同时效温度下，时效保温时间不同最终获得的性能也不同。图1为17-4PH 钢在350 ℃时效温度下，硬度随时效时间的变化曲线。可以看出，随保温时间的延长，试样的硬度不断升高，在时效处理的前期阶段，试样的硬度上升比较缓慢; 时效到6000 h 后，试样的硬度上升较快; 时效9000 h 左右时，试样的硬度达到最大值;之后，随时效时间的延长，硬度开始迅速下降。      对于17-4PH 钢长期时效与拉伸性能之间的关系，彭艳华等进行了详细研究。结果表明，在350 ℃长期时效后，随时效时间的延长，屈服强度和抗拉强度升高，断面收缩率和伸长率下降; 断口由细小的韧窝向粗大韧窝转变。研究还发现，经长期时效，17-4PH 钢组织发生变化， spinodal 分解开始在晶界发生，析出的ε-Cu 颗粒逐渐长大，并且有少量的逆转变奥氏体产生。随时效时间延长， spinodal 分解逐渐由晶界转向晶内，基体中析出大量有取向的细小的G相，基体组织仍为板条马氏体。     王均等运用示波冲击的方法研究了17-4PH钢在350 ℃长期时效下的脆化行为。示波冲击试验能提供试样冲击断裂过程中各阶段的能量-时间、载荷-时间、挠度-时间等多种变形和断裂过程中的瞬态信息，为深入了解材料在动载荷条件下的变形和断裂行为提供条件。研究表明，17-4PH 钢在350℃长期时效下，裂纹萌生功( Ei) 、裂纹扩展功( Ep) 、总冲击功( Et) 和动态断裂韧性( KId) 值随时效时间的延长而下降。说明长期时效后，材料韧性降低，发生脆化。1. 3 调整处理    17-4PH 不锈钢的常规热处理是固溶+ 时效处理，近年来研究发现，在时效处理之前进行调整处理，其力学性能及耐蚀性能将发生很大改变。调整处理的目的是调整钢的马氏体转变点Ms和Mf，故也称其为相变处理。增加调整处理后，对于同样的固溶和时效温度，材料的冲击韧性将提高一倍以上，同时耐蚀性也显著提高。杨世伟等运用化学浸泡、极化曲线、循环极化曲线、电化学阻抗等方法研究了固溶后直接时效状态和固溶+调整+时效状态的17-4PH 钢在人工海水中的耐蚀性能。研究表明， 17-4PH 不锈钢经调整处理后再进行时效处理，自腐蚀电位和点蚀电位升高，年腐蚀率下降，耐海水腐蚀性远远优于直接时效试样。其原因是17-4PH 钢经过调整处理后再进行时效，可有效避免贫铬区的形成，而铬正是保证金属良好耐蚀性的关键，同时马氏体组织变得细小，材料的组织均匀性得到提高。      固溶后直接时效和固溶+调整+时效后的显微组织见图2。可以看出，经过调整处理的组织，晶粒轮廓较清晰，马氏体板条均匀细小，且位向关系明确。固溶后直接时效的组织，马氏体板条粗大，晶界分布着大量的白色析出相。调整处理后再进行时效的马氏体组织“遗传”了调整处理态的细小化特征，晶界相互连结成网状，将主要由马氏体和残留奥氏体组成的晶粒包束于其中，这种组织形态与钢中产生较多的逆转变奥氏体有关。