熱處理對(duì)MIM 17-4PH不銹鋼組織和性能的影響

李 志，翁 廷，羅 浩，朱 杰,曾克里

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

熱處理對(duì)MIM 17-4PH不銹鋼組織和性能的影響

李 志，翁 廷，羅 浩，朱 杰,曾克里

廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510650

采用高壓水氣聯(lián)合霧化粉末和熱塑性粘結(jié)劑制備的金屬注射成型17-4PH不銹鋼，經(jīng)過真空燒結(jié)以及熱處理后，對(duì)其進(jìn)行硬度檢測(cè)、金相分析以及鹽霧試驗(yàn)等.結(jié)果表明：MIM 17-4PH不銹鋼燒結(jié)組織主要由板條馬氏體和塊狀鐵素體組成，硬度為24HRC，鹽霧試驗(yàn)12h出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)；經(jīng)過1040 ℃固溶處理后，材料硬度增至29HRC，鹽霧腐蝕24 h未出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)；燒結(jié)后直接進(jìn)行480 ℃時(shí)效，第二相粒子析出并彌散分布在基體中，材料硬度提高到 38HRC,但鹽霧腐蝕8 h就出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn).

MIM；17-4PH；熱處理；顯微組織；鹽霧試驗(yàn)

17-4PH不銹鋼是一種含Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3%～5%的沉淀強(qiáng)化馬氏體不銹鋼，它是通過過飽和的Cu，Nb溶于馬氏體的一次固溶強(qiáng)化和經(jīng)過時(shí)效處理的第二相粒子強(qiáng)化.這種不銹鋼具有強(qiáng)度高、良好的耐蝕性以及低廉的成本，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空、航天和核工業(yè)等領(lǐng)域[1-3].

目前,關(guān)于17-4PH熱處理的研究主要集中在對(duì)鑄坯、棒材以及板坯等材料的熱處理工藝及微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面.趙麗萍[4]、杜大明[5]等研究了固溶、時(shí)效熱處理等因素對(duì)鑄態(tài)17-4PH不銹鋼組織和性能的影響.關(guān)慶豐[6]等利用透射電子顯微鏡(TEM)分析了17-4PH不銹鋼時(shí)效處理后析出相的形成過程.趙義[7]等對(duì)經(jīng)過1040 ℃固溶+不同溫度時(shí)效處理后的17-4PH不銹鋼顯微組織、力學(xué)性能和沖擊斷口進(jìn)行了分析.MIM不銹鋼部件廣泛應(yīng)用于汽車零部件、醫(yī)療器械、鎖具以及電動(dòng)工具等，有關(guān)MIM 17-4PH不銹鋼粉末的粘結(jié)劑性能、燒結(jié)性能和化學(xué)成分等方面的研究較多[8-11]，而對(duì)其熱處理后的性能研究較少.本文著重研究MIM 17-4PH不銹鋼燒結(jié)態(tài)及熱處理后的顯微組織、物相組成和耐腐蝕性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 料

試料為自制的17-4PH高壓水氣聯(lián)合霧化粉末，其粒度為D10:3.14μm、D50:8.56μm、D90:21.89μm，振實(shí)密度為4.65 g/cm3，其化學(xué)成分列于表1，粉末形貌如圖1所示.粘結(jié)劑為熱塑性體系，由聚甲醛POM、高密度聚乙烯HDPE、石蠟PW和表面活性劑SA構(gòu)成.

表1 17-4PH不銹鋼粉末的化學(xué)成分

圖1 17-4PH粉末SEM照片F(xiàn)ig.1 The SEM of 17-4PH powder

1.2 試樣制備

將粘結(jié)劑和17-4PH金屬粉末按體積比2∶3配料后，在密煉機(jī)上混煉2 h制得注射料.再將注射料造粒后在注射機(jī)上注射成50mm×10mm×5mm的長(zhǎng)方形生坯.然后在120 ℃下對(duì)生坯進(jìn)行酸脫7 h，脫脂后的毛坯在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350 ℃，保溫2 h后快速冷卻至室溫.在真空燒結(jié)過程中，需在600 ℃保溫1 h，目的是將粘結(jié)劑脫干凈避免產(chǎn)品增碳.燒結(jié)后再對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，熱處理工藝與參數(shù)列于表2.最后對(duì)燒結(jié)試樣0號(hào)和熱處理試樣1，2號(hào)分別進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)、金相分析、以及鹽霧試驗(yàn)等.

表2 17-4PH熱處理工藝參數(shù)

1.3 測(cè)試方法

用Malvern MS-3000激光粒度儀檢測(cè)試料粒度；利用JXA-8100電子探針表征粉末形貌.使用布氏硬度計(jì)測(cè)試燒結(jié)和熱處理試樣的硬度，采用阿基米德排水法測(cè)定試樣的密度.在35 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl溶液的條件下對(duì)試樣進(jìn)行中性鹽霧腐蝕性能測(cè)試.將金相試樣經(jīng)研磨、拋光及苦味酸化學(xué)腐蝕后進(jìn)行金相顯微組織觀察，采用PW3040/60型X射線儀對(duì)金相試樣進(jìn)行物相分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

圖2為熱處理后MIM17-4PH試樣的金相顯微組織.圖2顯示，3個(gè)試樣的組織中都有孔隙(黑色)，孔隙細(xì)小，彌散分布在基體中.其中0號(hào)燒結(jié)試樣的密度為7.72 g/cm3，達(dá)到理論密度的98%以上，已相當(dāng)致密.但熱處理后1，2號(hào)試樣的孔隙依然存在，其密度分別為7.69 g/cm3和7.71 g/cm3，沒有明顯的變化.

圖2 不同試樣的金相顯微組織(a)0號(hào)燒結(jié)試樣；(b)1號(hào)固溶處理試樣；(c)2號(hào)時(shí)效處理試樣Fig.2 The metallographic structure in different samples 0# sintering, 1# solution treatment, 2# aging treatment

由圖2可知，1號(hào)試樣的組織主要以板條馬氏體為主，0號(hào)和2號(hào)試樣的組織是由板條馬氏體和塊狀高溫鐵素體組成.高溫鐵素體是由于快速冷卻時(shí)未能及時(shí)轉(zhuǎn)化為奧氏體而殘留下來的.以10 ℃/s加熱時(shí)，17-4PH不銹鋼奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度AC1和結(jié)束溫度AC3分別為725 ℃和915 ℃[12].當(dāng)1號(hào)試樣在1040 ℃固溶后，殘余的高溫鐵素體完全轉(zhuǎn)化為奧氏體，奧氏體含量增加，水冷后使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的Cu、Nb的固溶強(qiáng)化增強(qiáng). 因此，1號(hào)試樣經(jīng)固溶處理后，其洛氏硬度高于0號(hào)燒結(jié)試樣，如表3所列.將圖2(a)和圖2(c)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，2號(hào)試樣的晶粒內(nèi)部有第二相粒子析出(圖2(c)箭頭所指)，并且第二相粒子彌散分布在基體中.由表3可知，2號(hào)試樣的硬度值最大，為38HRC，說明時(shí)效處理可顯著提高17-4PH不銹鋼的硬度. 1號(hào)試樣顯微組織以馬氏體為主，Cu、Nb的固溶強(qiáng)化較為顯著，但低于2號(hào)試樣的二次彌散強(qiáng)化.

表3 不同試樣的洛氏硬度

2.2 XRD物相分析

圖3是MIM 17-4PH試樣的X射線衍射圖.由圖3可知，三種試樣的強(qiáng)衍射峰大致相同，與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)衍射峰為BCC結(jié)構(gòu)的α-Fe衍射峰.由于鐵素體和馬氏體的晶格常數(shù)相差較小[13-14]，單獨(dú)通過X射線衍射分析難以區(qū)分鐵素體和馬氏體，但結(jié)合金相顯微組織圖2以及表3洛氏硬度可知，三種試樣的組織主要以板條馬氏體為主.1號(hào)試樣除了主要的馬氏體衍射鋒外，還有(111)γ奧氏體衍射鋒，這表明試樣熱處理前殘留的鐵素體經(jīng)過1040 ℃固溶處理后完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體.2號(hào)試樣除保留原有的衍射峰外，還有(200)ε-Cu衍射鋒.根據(jù)Fe-Cu相圖，高溫下銅在鐵中的固溶度為7%，經(jīng)過時(shí)效處理后，過飽和銅析出，并彌散分布在基體中.

圖3 不同試樣的X射線衍射圖 Fig.3 The XRD pattern of different samples

2.3 鹽霧腐蝕性能

對(duì)試樣進(jìn)行鹽霧腐蝕性能測(cè)試的結(jié)果列于表4.由表4可知，1號(hào)試樣的耐腐蝕性最好，2號(hào)試樣的耐腐蝕性能最差，僅8 h就出現(xiàn)腐蝕點(diǎn).由Fe-C相圖可知，C在鋼中的飽和溶解度小于0.02%，MIM17-4PH試樣在燒結(jié)后冷卻到室溫的過程中，處在過飽和狀態(tài)下的C易與Fe和Cr在晶間形成碳化物，導(dǎo)致局部貧鉻而發(fā)生晶間腐蝕[15].1號(hào)試樣經(jīng)過固溶處理后碳化物溶于基體中， 減少了貧鉻現(xiàn)象，從而有助于提高其耐腐蝕性能；2號(hào)試樣在480 ℃時(shí)效時(shí)，進(jìn)一步加劇了碳化物的析出，導(dǎo)致其腐蝕性能下降.

表4 不同試樣的鹽霧腐蝕性能

Table 4 The results of salt spray corrosion test in different samples

試樣熱處理方式腐蝕起始時(shí)間/h0號(hào)無121號(hào)燒結(jié)+固溶1040℃>242號(hào)燒結(jié)+時(shí)效480℃8

3 結(jié) 論

MIM17-4PH不銹鋼的基體組織主要由板條馬氏體和塊狀鐵素體組成.經(jīng)過1040 ℃固溶處理后，鐵素體完全轉(zhuǎn)化為奧氏體，室溫下有少量奧氏體殘留，材料硬度從24HRC增加到29HRC，鹽霧腐蝕24 h未出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)，材料的綜合性能提高.通過480 ℃時(shí)效處理，基體中彌散分布著第二相銅粒子，材料的硬度達(dá)到38HRC，但鹽霧腐蝕8 h出現(xiàn)斑點(diǎn).

[1] 陸世英，張廷凱，楊長(zhǎng)強(qiáng)，等.不銹鋼[M].北京:原子能出版社，1998:5，61-63.

[2] LI Ping，CAI Qi-zhou，WEI Bo-kang.Effect of aging temperature on erosion-corrosion behavior of 17-4PH stainless steels in dilute sulphuric acid slurry[J]. Iron and Steel Research，2006，13(5):73-78.

[3] 張敏，褚巧玲.17-4PH 不銹鋼熱處理工藝[J].金屬熱處理，2012，37(9):8-11.

[4] 趙莉萍，楊慧，李慧琴.固溶處理和時(shí)效對(duì)17-4PH沉淀硬化不銹鋼組織性能的影響[J].特殊鋼，2003，24(4):24-25.

[5] 杜大明，汪洋,白小波.熱處理對(duì)17-4PH不銹鋼組織和性能的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2012，33(1):30-32.

[6] 關(guān)慶豐，邱冬華，李艷，等.17-4PH不銹鋼時(shí)效析出相的形成過程[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，41(3):654-658.

[7] 起義，郭亞歡，候凱.熱處理工藝對(duì)17-4PH不銹鋼力學(xué)性能影響[J].機(jī)械工程材料，2009，33(5):5-8，11.

[8] 李益民，KHALIL K A，黃伯云.金屬注射成形17-4PH不銹鋼的研究[J].粉末冶金技術(shù)，2005，23(4):254-258.

[9] 顧虎，畢景維，李崢等.金屬注射成形17-4PH高強(qiáng)度不銹鋼的研究[J].粉末冶金技術(shù)，2006，24(5):336-339.

[10] 張翔，何浩，李益民，等.碳含量對(duì)金屬注射成形17-4PH不銹鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2015，25(4):945-951.

[11] 賀毅強(qiáng)，胡建斌，張奕，等.粉末注射成形的成形原理與發(fā)展趨勢(shì)[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，33(1):139-144.

[12] HSIAO C N，CHIOU C S，YANG J R.Aging reactions in a 17-4PH stainless steel[J].Materials Chemistry and Physics，2001，74(2002)，134-142.

[13] SUN G F，BHATTACHARYA S，DINDA G P，et al.Influence of processing parameters on lattice parameters in laser deposited tool alloy steel[J].Mater Sci Eng A，2011，528(15):5141-5145.

[14] RAMMO N N，ABDULAH O G.A model for the predicition of lattice parameters of iron-carbon austenite and martensite[J].Alloys Compd，2006，420(1-2):117-120.

[15] 郭新剛，宋鵬濤，王永寧.奧氏體不銹鋼的腐蝕機(jī)理研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，17:8-9.

The influence of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of MIM 17-4PH stainless steel

LI Zhi，WENG Ting，LUO Hao，ZHU Jie，ZENG Keli

GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China

The 17-4PH stainless steel was prepared by metal injection molding technology with atomized powder and thermoplastic adhesive. Through vacuum sintering and heat treatment after sintering, the samples were analyzed through hardness，metallographic analysis and salt spray. The result shows that: the microstructure of sintered MIM 17-4PH stainless steel is mainly composed of lath martensite and clumpy ferrite, and the hardness is 24HRC, and there are some corrosion spots after 12h salt spry test. After solid solution treatment at 1040 ℃, the hardness increases to 29HRC, and there is no corrosion spot after 24h salt spry test. After ageing at 480℃, the second phase particles is precipitated，dispersed in the matrix. The hardness increases to 38HRC and there are some corrosion spots after 8h salt spry test.

MIM；17-4PH；heat treatment；microstructure；salt spray test

2016-12-29

李志(1981-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，本科.

1673-9981(2017)01-0019-04

TG142.71

A