熱處理工藝對(duì)17-4PH 沉淀硬化型不銹鋼性能的影響

文/周鵬，李波，陳曉彤·中車資陽機(jī)車有限公司

17-4PH(05Cr17Ni4Cu4Nb)鋼，是一種以Cr17 型馬氏體不銹鋼為基礎(chǔ)發(fā)展起來的低碳馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，由于基體中的含碳量較低，耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于其他馬氏體型不銹鋼，而接近于某些奧氏體不銹鋼，且具有良好的綜合機(jī)械性能，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、化學(xué)和核工業(yè)等高科技領(lǐng)域。我司生產(chǎn)該材質(zhì)的模鍛件產(chǎn)品，交貨狀態(tài)為鍛后固溶時(shí)效熱處理，主要用于生產(chǎn)加工航空耐高溫、耐高壓風(fēng)機(jī)葉片制造。

本文通過對(duì)17-4PH 葉片進(jìn)行了系統(tǒng)的熱處理工藝試驗(yàn)，為達(dá)到不同機(jī)械性能，通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)，得出17-4PH 不銹鋼較全面的理化性能數(shù)據(jù)，有助于拓寬我司鍛件市場(chǎng)范圍。由于該材質(zhì)固有特性以及模鍛件產(chǎn)品尺寸扭度大等綜合因素，該產(chǎn)品的開發(fā)難度和質(zhì)量保證難度較大，通過此次開發(fā)，可提高工藝人員的能力；提高該類產(chǎn)品的質(zhì)量保證能力，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供技術(shù)支持。圖1 為本次試驗(yàn)的葉片模型圖。

產(chǎn)品技術(shù)要求

原材料

17-4PH 鋼，按照GJB 5040-2001 航空用鋼鍛件規(guī)范，化學(xué)成分含量見表1。

機(jī)械性能及高倍組織

交貨狀態(tài)為固溶時(shí)效，每熱處理爐次隨機(jī)抽取一件實(shí)物按(JB/T 3073.2-1991 汽輪機(jī)用模鍛動(dòng)、靜葉片，熱軋靜葉片毛坯技術(shù)條件 模鍛動(dòng)葉片毛坯)取試(葉片根部)，位置如圖2 所示。機(jī)械性能及金相組織等技術(shù)要求見表2。

圖1 17-4PH 葉片模型圖

表1 17-4PH 鋼原材料化學(xué)成分含量(%)

圖2 17-4PH 葉片取試示意圖

工藝分析及生產(chǎn)工藝

冶煉

采用非真空感應(yīng)爐+電渣冶煉工藝，φ150 ～φ200mm 圓鋼料坯，交貨狀態(tài)為退火態(tài)并車光，表面無裂紋、結(jié)疤、重皮、接痕，超聲波檢驗(yàn)符合GB/T 4162-2008 A 級(jí)要求檢驗(yàn)合格，奧氏體本質(zhì)晶粒度不小于5 級(jí)，其余如低倍組織、非金屬夾雜物、表面質(zhì)量及小試棒機(jī)械性能等符合GJB 2294-1995 相關(guān)規(guī)定。

冶煉中嚴(yán)格控制原材料化學(xué)成分含量，熔煉爐號(hào)為A-A 的化學(xué)成分含量見表3。

工藝流程

17-4PH 葉片生產(chǎn)過程：下料→加熱/出坯→打磨→加熱/模鍛→檢查→打磨→熱處理→檢查→檢測(cè)→裝箱/發(fā)送。

鍛造工藝

17-4PH 葉片鍛造加熱工藝見表4。

鍛造加熱時(shí)，為避免得到粗大組織和產(chǎn)生過多的δ-鐵素體導(dǎo)致開裂，鍛造溫度不宜過高，控制在900 ～1180℃，并在生產(chǎn)中用手持紅外線測(cè)溫儀對(duì)終鍛溫度嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，低于900℃及時(shí)回爐重新加熱。由于17-4PH 鋼加熱區(qū)間窄，鍛造過程中要求動(dòng)作迅速，每次壓下量較小且均勻，避免大的變形量。鍛造后需將鍛件及時(shí)放進(jìn)保溫箱箱冷或進(jìn)熱處理爐退火處理。

鍛造過程中須頻繁利用高壓風(fēng)清除氧化皮，鍛造缺陷未清除干凈進(jìn)入熱處理工序，會(huì)因應(yīng)力集中直接引起熱處理淬火裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致批量質(zhì)量問題。所以鍛件表面如有毛刺、尖棱尖角等缺陷，需經(jīng)打磨工序清除干凈并圓滑過渡，不會(huì)在熱處理擴(kuò)展的缺陷則無需處理。

表2 17-4PH 葉片技術(shù)要求

表3 A-A 原材料化學(xué)成分含量(%)

表4 五種17-4PH 葉片鍛造工藝

熱處理工藝

⑴熱處理設(shè)備。

根據(jù)GJB 5040-2001 航空用鋼鍛件規(guī)范，17-4PH 材料固溶溫度在1030℃～1050℃，選取的熱處理設(shè)備爐溫均勻性要達(dá)到±15℃。

⑵裝爐方式。

根據(jù)葉片的外形和有效截面尺寸，結(jié)合質(zhì)量保證、生產(chǎn)效率等因素，采用熱處理專用料筐裝爐，葉片為軸類件，為有效控制變形，采用葉身在上、葉根在下縱向裝爐，每件之間避免緊密貼合而留有空隙。

⑶熱處理方式及參數(shù)。

根據(jù)技術(shù)要求，熱處理采用固溶時(shí)效。所謂固溶，即是將合金(不銹鋼)加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相(碳化物相)充分溶解到固溶體中并快速冷卻，以得到過飽和固溶體。為了使過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的更完善，獲得更加細(xì)小、更加均勻以及較好的綜合性能，固溶之后增加一次中間調(diào)整階段。

1)保溫時(shí)間。固溶、中間調(diào)整的保溫時(shí)間：根據(jù)不同產(chǎn)品有效厚度，結(jié)合實(shí)際裝爐情況，計(jì)算采用公式：1.5×有效厚度×(1.2 ～2.5)執(zhí)行。整體控制五項(xiàng)產(chǎn)品保溫時(shí)間在2 ～4 小時(shí)。

時(shí)效的保溫時(shí)間：參照上述計(jì)算原則后適當(dāng)延長，以充分釋放前期鍛造、固溶、中間調(diào)整后的各項(xiàng)應(yīng)力，當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長，一方面沉淀相合并長大，沉淀強(qiáng)化減弱；另一方面，固溶強(qiáng)化減弱和基體的回復(fù)引起的軟化，使硬度隨時(shí)間的延長緩慢減小。綜合考慮，時(shí)效保溫時(shí)間采用5 ～7 小時(shí)。

2)溫度。

固溶溫度：隨著固溶溫度的升高，葉片強(qiáng)度、硬度增加。固溶處理溫度較低時(shí)，加熱得到的奧氏體不均勻，合金碳化物沒有充分溶入到固溶體中，淬火后馬氏體過飽和度低，影響后續(xù)的時(shí)效沉淀硬化效果。經(jīng)查，固溶溫度從1030℃～1050℃。

中間調(diào)整溫度：采用815℃。

時(shí)效溫度：在固溶、中間調(diào)整轉(zhuǎn)變充分的前提下，通過時(shí)效溫度的調(diào)整來獲取所需性能。在固溶、中間調(diào)整相同的前提下，隨著時(shí)效溫度的提高，得到的強(qiáng)度、硬度逐漸下降，塑性、韌性呈上升趨勢(shì)。根據(jù)原材料化學(xué)成分、產(chǎn)品強(qiáng)度/硬度要求以及常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，一般將產(chǎn)品硬度控制在中上限，所以時(shí)效溫度各自選擇范圍之前的下限。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

五種17-4PH 葉片，取試位置在葉片根部縱向1/4 有效厚度處，每項(xiàng)產(chǎn)品所得機(jī)械性能數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：按照上述原材料、鍛造、熱處理工藝執(zhí)行后，五種鍛件產(chǎn)品100%檢測(cè)洛氏硬度，皆滿足要求。

從圖3、圖4 高倍組織圖片中可以看出：17-4PH葉片熱處理得到均勻的馬氏體組織+極少量的δ-鐵素體，晶粒度達(dá)到5.0 級(jí)和5.5 級(jí)，滿足技術(shù)要求。

表5 17-4PH 葉片機(jī)械性能結(jié)果

圖3 晶粒度5.0 級(jí)，2%δ 鐵素體

結(jié)束語

圖4 晶粒度5.5 級(jí)，2%δ 鐵素體

結(jié)合17-4PH 葉片的機(jī)械性能與高倍組織，主要與原材料化學(xué)成分含量、鍛造變形量及尺寸效應(yīng)、熱處理參數(shù)、時(shí)效脆性及δ-鐵素體含量等有關(guān)，認(rèn)真執(zhí)行HB 5024-1989《航空用鋼鍛件》有關(guān)技術(shù)規(guī)范，經(jīng)過適宜的鍛造、熱處理后，可得到滿足要求的機(jī)械性能及高倍組織，也是控制好批量生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量的保證。