17-4PH 馬氏體沉淀硬化型不銹鋼在熱處理下的性能分析

蘇學虎

（江蘇萬恒鑄業(yè)有限公司，江蘇 鹽城 224500）

17-4PH 不銹鋼屬于典型的低碳馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，該鋼鎳含量較低，Ms 點高于室溫。17-4PH 不銹鋼耐蝕性和高溫抗氧化性均良好，在400℃以下具有優(yōu)良的高溫力學性能，但該鋼固溶后為板條馬氏體組織，即使在過時效狀態(tài)下，延展性仍不能滿足冷作深變形的要求，且在400℃以下長期使用時有脆化傾向。薄膜透射電鏡觀察板條內(nèi)有大量位錯、極少量孿晶、在板條馬氏體上分布有大量較粗大和精細的析出相，并且在時效后的組織中含有部分殘余奧氏體和少量的δ 鐵素體。高強度狀態(tài)下，在某些介質(zhì)中有可能產(chǎn)生應力腐蝕，在硫酸中耐蝕性良好。該鋼因時效析出富銅相，故在氧化性酸中，時效態(tài)比固溶態(tài)的耐蝕性差，在海水中有較高的疲勞強度。17-4PH 不銹鋼通過高溫正火進行組織預調(diào)整，消除粗大樹枝晶及鑄造應力，細化晶粒[1]。

1 17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼

通過固溶處理得到板條馬氏體并在時效過程中析出細小彌散的富銅相、NbC、合金碳化物等第二相硬質(zhì)點。此不銹鋼在高溫時組織為γ+δ，淬火后為板條馬氏體+δ 鐵素體+少量殘余奧氏體的復相組織。國內(nèi)外常用17-4 不銹鋼標準規(guī)定如下。

（1）GB/T2100-2002 中一般用耐蝕鋼鑄件牌號為ZG05Cr17Ni4Cu4Nb。

其化學成分如下表1 所示。力學性能要求如下表2 所示。

表1 試驗17-4PH 鋼的化學成分（%）

表2 17-4PH 鋼的力學性能要求

（2）ASTM A747/A747M 不銹鋼鑄件牌號為CB7Cu-1H1100?；瘜W成分如下表3 所示。

力學性能要求如下表4 所示。

2 17-4PH鋼化學成分分析

2.1 Ni、Cr、Cu、Nb、C、N、Si、Ti、Mn

Cu 作為較弱奧氏體形成元素，增加少量銅不會引起組織變化，銅的主要作用是在時效時析出富銅相且彌散分布于基體上，對基體產(chǎn)生二次硬化，提高材料強度和硬度。17-4PH 含銅不銹鋼經(jīng)過固溶形成含有高密度位錯亞結構的板條馬氏體，由于大量纏結位錯形成位錯胞可供位錯運動，板條馬氏體中的局部形變區(qū)域既可以為銅的擴散提供通道，又能為析出相的形核提供能量，銅可提高此類不銹鋼的耐蝕性。但銅含量過高也會產(chǎn)生晶界偏析，弱化晶界，從而降低塑性、韌性，它是17-4PH 鋼開裂原因之一。Nb 作為強碳化物形成元素，所形成的碳化物具有極強的高溫穩(wěn)定性，有助于細化晶粒并且提高不銹鋼耐蝕性。但是鈮元素是鐵素體形成元素且有偏析傾向容易使17-4PH 鋼開裂。故鈮含量也不宜過高。C 溶于奧氏體并保留在板條馬氏體基體中，引起晶格畸變產(chǎn)生固溶強化，故碳含量增加，強度、硬度增加。N 作為強奧氏體形成元素，有效擴大γ 相區(qū)，隨氮含量升高，17-4PH 鋼中的鐵素體含量減少，氮以間隙方式固溶于晶格并形成間隙固溶體，可以細化合金碳化物質(zhì)點尺寸改善其在基體上的分布狀態(tài)。Si 能提高不銹鋼在酸性環(huán)境下的耐蝕性，17-4PH 鋼中加入3%～4%的硅，可以有效提高鋼的抗應力腐蝕能力。Cr、Mo、Nb 等是縮小γ 相區(qū)的元素，這些元素本身是體心立方點陣結構，使得α 鐵體心立方點陣結構相對穩(wěn)定。Ni、Mn、Cu 等合金元素是擴大γ 相區(qū)元素，這些元素本身為面心立方點陣結構，加入鋼中使得γ 鐵面心立方點陣結構相對穩(wěn)定。Mn 擴大γ 相區(qū)的能力比鎳小，由于含錳奧氏體有足夠的穩(wěn)定性，在冷至室溫的過程中不發(fā)生相變。C 和N 是擴大γ 相區(qū)的元素，當加入17-4PH鋼中的C 和N 含量較多，奧氏體在冷卻時容易發(fā)生共析分解。另外，C 與Cr 形成Cr23C6，產(chǎn)生晶間腐蝕，可以采取高溫固溶處理，將含鉻碳化物全部溶解在奧氏體中，然后水冷，得到細小的M+AR+少量鐵素體，盡可能使C%≤0.07%，從而使Cr23C6 碳化物無法析出。加鈮或鈦改變析出碳化物類型，由于鈮或鈦與碳的結合能力大于鉻，這些元素含量足夠時只會形成NbC 或TiC等穩(wěn)定型碳化物。改變晶界上Cr23C6 碳化物析出的數(shù)量及分布狀態(tài)也能消除晶間腐蝕，有兩種方法：①調(diào)整鋼化學成分，先使得鋼是A+F 復相組織。②預冷變形[2]。

表3 試驗17-4PH 鋼的化學成分（%）

表4 17-4PH 鋼的力學性能要求

表5 試驗17-4PH 鋼的最終化學成分（%）

2.2 P、S

一般中頻爐+AOD 雙聯(lián)下高溫鋼液中P 含量不容易降低，為降碳保鉻保證煉鋼原料潔凈有助于降磷而減少鉻的燒損，P 在鋼中引起冷脆，S 在鋼中引起熱脆。

以上分析可以得出化學成分最佳的范圍如表5 所示。

3 17-4PH含銅不銹鋼熱處理工藝

17-4PH 含銅不銹鋼的四種熱處理工藝如下所示：

（1）一般17-4PH 不銹鋼時效態(tài)硬度高，最高可達400HB以上，而固溶態(tài)下硬度較低，一般在360HB 以下。為使得強度、硬度，塑性、韌性的配合，同時保證屈強比≥0.8，要求F%≤5%，若鐵素體含量過高，會破壞組織均勻性，降低塑性，使材料在加工過程中開裂。提高強度主要取決于C、Mn、Cu 含量，提高韌性主要取決于Ni 含量。由于合金元素含量高，在材料前期軋制和鍛造時容易形成不良組織，出現(xiàn)時效后無強化或強化不良現(xiàn)象。原因是材料長期放置發(fā)生了自然時效。內(nèi)部合金元素緩慢地向晶界附近擴散聚集釘扎鎖住晶界造成對原始晶粒的強化。采用進行兩次固溶，使晶粒細化、成分均勻，其熱處理工藝如圖1 所示[3]。

圖1 兩次固溶處理+時效

（2）整個時效過程中，因為馬氏體板條邊界和原奧氏體的晶界處會產(chǎn)生淬火馬氏體向奧氏體的緩慢逆轉(zhuǎn)變，主要將奧氏體以細小的形式表現(xiàn)出來且以富銅相作為奧氏體的核心，整體穩(wěn)定性比較強。時效溫度高，逆變奧氏體在降低材料強度同時會提高材料塑性改善韌性。增加800℃中間處理雖然在一定程度上影響到材料的強度，但是依然可滿足基本使用要求，熱處理工藝圖如圖2 所示。

圖2 固溶處理+中間處理+時效

（3）該工藝可控制高溫奧氏體成分從而控制馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，使Ms 高于室溫，實現(xiàn)馬氏體相變的最佳效果。較高的時效溫度會導致淬火馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并以殘余奧氏體的形式被保留，所以塑性和韌性有所增加。采用油冷產(chǎn)生均勻細小的馬氏體組織，合金具有優(yōu)異的綜合力學性能。熱處理工藝為在≤650℃進爐，固溶處理，油冷至≤250℃出油空冷至室溫，490℃時效處理，其熱處理工藝圖如圖3 所示。

圖3 固溶（油冷至250℃出油空冷）+時效

（4）先用高溫正火即均勻化處理來細化晶粒改善原始組織，該熱處理工藝分為3 個步驟：均勻化處理+固溶處理+沉淀硬化處理。如圖4（a）、（b）、（c）所示。

圖4 （a）均勻化處理，（b）固溶處理，（c）沉淀硬化處理

4 結論

（1）17-4PH 含銅不銹鋼具有不銹鋼的一般特征，具有很好的強度、硬度和耐蝕性，一定的塑性、韌性。

（2）原始組織對熱處理有很大影響，17-4PH 含銅不銹鋼相和組織的遺傳傾向比較大，控制原始組織很重要。

（3）控制高溫δ 鐵素體含量，控制鉻當量和鎳當量，即控制鐵素體形成元素和奧氏體形成元素加入量[4-6]。

（4）采用中間處理可以得到優(yōu)異的綜合力學性能。

（5）對于結構復雜的大型鑄件，先用正火消除粗大樹枝晶、減輕偏析使成分均勻化、釋放鑄造應力、細化原始晶粒，減小裂紋傾向。

（6）17-4PH 含銅不銹鋼結合實際生產(chǎn)條件，最佳熱處理工藝為高溫均勻化處理+固溶處理+沉淀硬化處理，采用具有循環(huán)水系統(tǒng)的大水池實施冷卻。