時(shí)效處理對(duì)17-7PH 不銹鋼微觀組織和維氏硬度的影響

趙昌平， 靳丹萍， 劉歡歡， 趙 杰

（蘇州國(guó)環(huán)環(huán)境檢測(cè)有限公司，江蘇 蘇州，215011）

17-7PH（0Cr17Ni7Al）不銹鋼是在18-8 型奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加Al 而得到的半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，屬于高強(qiáng)度不銹鋼系列。17-7PH 不銹鋼集奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)，既具有優(yōu)良的耐蝕性能和加工性能，又可以利用相變、變形和沉淀硬化等達(dá)到超高強(qiáng)度，同時(shí)兼具較好的塑性和韌性。17-7PH 不銹鋼在固溶態(tài)下具有較低的強(qiáng)度，較好的加工性能，然而在馬氏體轉(zhuǎn)變和時(shí)效后具有較高的強(qiáng)度和良好的耐蝕性能，因此,廣泛地應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，常用作控制儀器、儀表及各種耐蝕高彈性元件的制備[1-4]。

17-7PH 不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度（ M s 點(diǎn)）較低，固溶處理后不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還需要進(jìn)行中間處理，然后再進(jìn)行時(shí)效處理。嚴(yán)茂芳等[2]研究了17-7PH 不銹鋼的熱處理工藝，認(rèn)為當(dāng)變形量超過(guò)80%時(shí)，進(jìn)行1 050 ℃＋450 ℃時(shí)效處理，可獲得最佳性能。滕加莊等[5]研究了CH 工藝中時(shí)效處理對(duì)17-7PH不銹鋼力學(xué)性能的影響，認(rèn)為其最佳時(shí)效溫度為410～430 ℃；杜大明等[6]研究了熱處理工藝對(duì)17-4PH不銹鋼組織和性能的影響，認(rèn)為固溶處理后，隨著時(shí)效溫度的升高，其硬度先升高后降低，在460 ℃時(shí)效2 h 時(shí)獲得最高的維氏硬度。17-7PH 不銹鋼實(shí)現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變和沉淀硬化的常用熱處理方法有3 種[7-9]：CH900、TH950、RH950 處理。CH900 工藝最簡(jiǎn)單（固溶＋冷變形＋時(shí)效），TH950工藝較復(fù)雜（固溶＋調(diào)質(zhì)＋時(shí)效），RH950 工藝最復(fù)雜（固溶＋調(diào)質(zhì)＋冷處理＋時(shí)效）。

本試驗(yàn)主要研究17-7PH 不銹鋼在RH、TH 及CH 工藝處理過(guò)程中的時(shí)效制度對(duì)其微觀組織和維氏硬度的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用17-7PH 不銹鋼的化學(xué)成分如表1 所示。試樣尺寸為10 mm×15 mm×0.5 mm。TH 處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為T(mén)0)＋760 ℃/90 min 調(diào)質(zhì)處理，空冷(取樣記為T(mén)1)＋0 ℃/30 min 深冷處理(取樣記為T(mén)2)＋560 ℃/0，30，60，90 min 時(shí)效處理，空冷(取樣分別記為T(mén)3，T4，T5，T6)，TH 處理過(guò)程中取樣示意圖如圖1 所示。RH處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為R0)＋955 ℃/20 min 調(diào)質(zhì)處理，空冷(取樣記為R1)＋3 h 至-73 ℃/8 h 深冷處理(取樣記為R2)＋510 ℃/0，30，60 min 時(shí)效處理，空冷(取樣分別記為R3，R4，R5)，RH 處理工程中的取樣示意圖如圖2所示。CH 處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為C0)＋變形量為55%的冷變形＋482 ℃/0，30，60，90，120 h 時(shí)效處理，空冷(分別取樣記為C0，C3，C6，C9，C12)；另外，保溫120 min 后爐冷至200 ℃后取出的空冷試樣記為C12-1。

表 1 17-7PH 不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Compositions of the 17-7PH stainless steel (mass fraction/%)

利用Wilson Tukon 1102 維氏硬度計(jì)在室溫環(huán)境下測(cè)試熱處理后各試樣的維氏硬度，加載力為1 000 gf （1 N=102 gf），加載時(shí)間為15 s，每個(gè)試樣測(cè)量5 個(gè)點(diǎn)，兩點(diǎn)間距離為2 mm。熱處理后的試樣經(jīng)金相制樣后用FeCl3∶HCl∶H2O=1∶3∶12 （體積分?jǐn)?shù)比）的混合溶液進(jìn)行腐蝕，采用JSM-6480 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察其組織形貌。

圖 1 TH 處理過(guò)程中取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sampling during TH treatment

圖 2 RH 處理過(guò)程中取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sampling during RH treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 TH 及RH 處理不同階段組織

圖3 是17-7PH 不銹鋼在TH 處理及RH 處理過(guò)程中不同階段試樣的光學(xué)顯微組織圖。從圖3（a）中可以看出，T1 中只有極少的板條狀馬氏體存在；從圖3（b）中可以看出，經(jīng)過(guò)0 ℃冷處理后的T2 晶粒內(nèi)存在大量的板條狀馬氏體；從圖3（c）中可以看出，深冷處理后的時(shí)效處理過(guò)程中，在T6 基體中的板條狀馬氏體并未發(fā)生變化，但有析出相形成。RH 處理時(shí)，17-7PH 不銹鋼具有和TH 處理時(shí)相似的組織變化：從圖3（d）中可以看出，在R1 中有極少的板條狀馬氏體；從圖3（e）中可以看出，R2 中有大量的板條狀馬氏體；從圖3（f）中可以看出，R5 中的板條狀馬氏體與圖3（e）中R2 相比，未發(fā)生明顯的變化。

圖 3 17-7PH 不銹鋼樣品TH 處理及RH 處理過(guò)程中的光學(xué)顯微組織圖Fig.3 Optical microstructure images of the 17-7PH stainless steel samples during TH and RH treatments

2.2 熱處理工藝對(duì)17-7PH 不銹鋼硬度的影響

TH 處理下不同時(shí)效制度對(duì)17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響如圖4 所示。由圖4（a）可知，17-7PH不銹鋼固溶處理后維氏硬度最低，為188。深冷處理后，未進(jìn)行時(shí)效處理的試樣的維氏硬度最高，為481，較固溶態(tài)提高了293；560 ℃時(shí)效后，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，維氏硬度逐漸降低，但仍遠(yuǎn)高于固溶態(tài)的維氏硬度。由圖4（b）可知，當(dāng)時(shí)效時(shí)間一定時(shí)，隨著時(shí)效溫度的升高，17-7PH 不銹鋼的維氏硬度逐漸降低。

RH 處理下不同時(shí)效制度對(duì)17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響如圖5 所示。由圖5（a）可知，固溶處理后維氏硬度最低，僅有188；RH 處理后，510 ℃/30 min 時(shí)效處理后的維氏硬度最高，為500，較固溶態(tài)提高了312；510 ℃時(shí)效處理時(shí)，維氏硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，先升高后降低，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為30 min 時(shí)，達(dá)到峰值時(shí)效硬度。由圖5（b）可知，隨著時(shí)效溫度的升高，維氏硬度逐漸降低，變化趨勢(shì)與圖4（b）一致。

圖 4 TH 處理對(duì)17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.4 Influence of TH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

圖 5 RH 處理對(duì)17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.5 Influence of RH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

圖 6 CH 處理對(duì)17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.6 Influence of CH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

CH 工藝處理過(guò)程中，不同時(shí)效制度對(duì)17-7PH不銹鋼維氏硬度的影響如圖6 所示。由圖6 可知，冷變形后，維氏硬度達(dá)到486，而后482 ℃時(shí)效處理時(shí)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，維氏硬度逐漸升高，時(shí)效時(shí)間超過(guò)60 min 后，維氏硬度基本保持不變；時(shí)效后空冷試樣和先爐冷至200 ℃而后空冷的試樣的維氏硬度相差不大，可見(jiàn)，時(shí)效處理后的冷卻速度對(duì)維氏硬度基本無(wú)影響。

圖7 是17-7PH 不銹鋼RH 和TH 處理過(guò)程中峰值時(shí)效硬度的對(duì)比圖。由圖7 可知，17-7PH 不銹鋼經(jīng)過(guò)固溶處理后，T0 和R0 的維氏硬度相同；TH 工藝下的調(diào)質(zhì)處理后的維氏硬度高于RH 工藝下調(diào)質(zhì)處理后的維氏硬度；RH 工藝下的深冷處理（-73 ℃/480 min）的維氏硬度高于TH 工藝下的深冷處理（0 ℃/30 min）的維氏硬度；RH 工藝處理過(guò)程中，510 ℃/30 min 的時(shí)效峰值硬度高于TH 工藝處理過(guò)程中未經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的峰值硬度。

2.3 熱處理過(guò)程中的組織演變

圖 7 17-7PH 不銹鋼RH、TH 處理及峰值時(shí)效的硬度對(duì)比圖Fig.7 Vicker hardness comparison images of the 17-7PH stainless steel at RH, TH treatment and peak aging

圖8 和圖9 為T(mén)H 處理和RH 處理過(guò)程組織變化示意圖。從圖8 和圖9 中可以看出，對(duì)17-7PH 不銹鋼進(jìn)行1 050 ℃/20 min 固溶處理，急冷，室溫組織主要為奧氏體，塑性較好，便于加工。調(diào)質(zhì)處理是通過(guò)奧氏體析出碳化物并將Ms 升高至室溫以上，以完成馬氏體轉(zhuǎn)變的工藝。當(dāng)進(jìn)行RH 處理時(shí)，馬氏體中含有較多的碳和其他合金元素，而析出的碳化物較少，但是只有在較低溫度才能完成馬氏體的轉(zhuǎn)變，如圖9 所示，圖中黑色表示碳含量高、灰色表示碳含量低。時(shí)效處理是強(qiáng)化的過(guò)程，由于溶解于馬氏體中的過(guò)飽和元素在時(shí)效時(shí)析出從而達(dá)到強(qiáng)化的效果，析出物為Ni-Al 金屬間化合物。當(dāng)進(jìn)行TH 處理時(shí)，Ms 約為70 ℃，完成馬氏體的轉(zhuǎn)變不需要冷處理，試驗(yàn)采用0 ℃/30 min 深冷處理工藝。由于TH 處理的調(diào)質(zhì)溫度（760 ℃）低于RH 處理的調(diào)質(zhì)溫度（955 ℃），析出的碳化物較多，故TH 處理的硬度高于RH 處理的硬度，這與圖7 中T1/R1 的硬度對(duì)應(yīng)；TH 處理后馬氏體中的碳和其他合金元素較RH 處理后的少，因此冷處理后，生成的過(guò)飽和馬氏體的碳含量低，并且此時(shí)馬氏體的強(qiáng)化效果占主導(dǎo)地位，故而冷處理馬氏體轉(zhuǎn)變后，TH 處理的硬度較RH 處理的硬度低，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖6 中T2/R2 點(diǎn)的硬度；時(shí)效處理后，由于TH 處理后基體溶解于馬氏體中的過(guò)飽和合金元素低，因此時(shí)效過(guò)程中析出的Ni-Al 金屬間化合物少，強(qiáng)化效果較RH 處理弱，故17-7PH 不銹鋼RH 處理后，峰值時(shí)效硬度更高。

圖 8 TH 處理過(guò)程組織變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of the microstructural changes during TH treatment process

圖 9 RH 處理過(guò)程組織變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of the microstructural changes during RH treatment process

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)17-7PH 不銹鋼的TH、RH 處理的研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）17-7PH 不銹鋼經(jīng)1 050 ℃/10 min 固溶處理后具有較好的塑性，硬度較低，維氏硬度為188。

（2）TH 處理及馬氏體化處理過(guò)程中，17-7PH 不銹鋼的硬度快速升高，馬氏體化處理后硬度較固溶處理后提高92%，在隨后的時(shí)效處理過(guò)程中，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度逐漸降低，560 ℃/0 min 到達(dá)峰值時(shí)效硬度，此時(shí)維氏硬度為481。

（3）RH 處理及馬氏體化處理過(guò)程中，17-7PH 不銹鋼的硬度同樣快速升高，馬氏體化處理后硬度較固溶處理后提高107%，在隨后的時(shí)效處理過(guò)程中，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，該不銹鋼的硬度先升高后降低，510 ℃/30 min 時(shí)到達(dá)峰值時(shí)效硬度，此時(shí)維氏硬度為500。

（4）17-7PH 不銹鋼RH 處理后的峰值時(shí)效硬度較TH 處理后的峰值時(shí)效硬度高。