热处理对MIM 17-4PH不锈钢组织和性能的影响

李 志，翁 廷，罗 浩，朱 杰,曾克里

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

热处理对MIM 17-4PH不锈钢组织和性能的影响

李 志，翁 廷，罗 浩，朱 杰,曾克里

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

采用高压水气联合雾化粉末和热塑性粘结剂制备的金属注射成型17-4PH不锈钢，经过真空烧结以及热处理后，对其进行硬度检测、金相分析以及盐雾试验等.结果表明：MIM 17-4PH不锈钢烧结组织主要由板条马氏体和块状铁素体组成，硬度为24HRC，盐雾试验12h出现腐蚀斑点；经过1040 ℃固溶处理后，材料硬度增至29HRC，盐雾腐蚀24 h未出现腐蚀斑点；烧结后直接进行480 ℃时效，第二相粒子析出并弥散分布在基体中，材料硬度提高到 38HRC,但盐雾腐蚀8 h就出现腐蚀斑点.

MIM；17-4PH；热处理；显微组织；盐雾试验

17-4PH不锈钢是一种含Cu质量分数 3%～5%的沉淀强化马氏体不锈钢，它是通过过饱和的Cu，Nb溶于马氏体的一次固溶强化和经过时效处理的第二相粒子强化.这种不锈钢具有强度高、良好的耐蚀性以及低廉的成本，广泛应用于机械制造、石油化工、航空、航天和核工业等领域[1-3].

目前,关于17-4PH热处理的研究主要集中在对铸坯、棒材以及板坯等材料的热处理工艺及微观结构和力学性能等方面.赵丽萍[4]、杜大明[5]等研究了固溶、时效热处理等因素对铸态17-4PH不锈钢组织和性能的影响.关庆丰[6]等利用透射电子显微镜(TEM)分析了17-4PH不锈钢时效处理后析出相的形成过程.赵义[7]等对经过1040 ℃固溶+不同温度时效处理后的17-4PH不锈钢显微组织、力学性能和冲击断口进行了分析.MIM不锈钢部件广泛应用于汽车零部件、医疗器械、锁具以及电动工具等，有关MIM 17-4PH不锈钢粉末的粘结剂性能、烧结性能和化学成分等方面的研究较多[8-11]，而对其热处理后的性能研究较少.本文着重研究MIM 17-4PH不锈钢烧结态及热处理后的显微组织、物相组成和耐腐蚀性能.

1 实验部分

1.1 试 料

试料为自制的17-4PH高压水气联合雾化粉末，其粒度为D10:3.14μm、D50:8.56μm、D90:21.89μm，振实密度为4.65 g/cm3，其化学成分列于表1，粉末形貌如图1所示.粘结剂为热塑性体系，由聚甲醛POM、高密度聚乙烯HDPE、石蜡PW和表面活性剂SA构成.

表1 17-4PH不锈钢粉末的化学成分

图1 17-4PH粉末SEM照片Fig.1 The SEM of 17-4PH powder

1.2 试样制备

将粘结剂和17-4PH金属粉末按体积比2∶3配料后，在密炼机上混炼2 h制得注射料.再将注射料造粒后在注射机上注射成50mm×10mm×5mm的长方形生坯.然后在120 ℃下对生坯进行酸脱7 h，脱脂后的毛坯在真空炉内进行烧结，烧结温度为1350 ℃，保温2 h后快速冷却至室温.在真空烧结过程中，需在600 ℃保温1 h，目的是将粘结剂脱干净避免产品增碳.烧结后再对试样进行热处理，热处理工艺与参数列于表2.最后对烧结试样0号和热处理试样1，2号分别进行洛氏硬度检测、金相分析、以及盐雾试验等.

表2 17-4PH热处理工艺参数

1.3 测试方法

用Malvern MS-3000激光粒度仪检测试料粒度；利用JXA-8100电子探针表征粉末形貌.使用布氏硬度计测试烧结和热处理试样的硬度，采用阿基米德排水法测定试样的密度.在35 ℃、质量分数5%NaCl溶液的条件下对试样进行中性盐雾腐蚀性能测试.将金相试样经研磨、抛光及苦味酸化学腐蚀后进行金相显微组织观察，采用PW3040/60型X射线仪对金相试样进行物相分析.

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

图2为热处理后MIM17-4PH试样的金相显微组织.图2显示，3个试样的组织中都有孔隙(黑色)，孔隙细小，弥散分布在基体中.其中0号烧结试样的密度为7.72 g/cm3，达到理论密度的98%以上，已相当致密.但热处理后1，2号试样的孔隙依然存在，其密度分别为7.69 g/cm3和7.71 g/cm3，没有明显的变化.

图2 不同试样的金相显微组织(a)0号烧结试样；(b)1号固溶处理试样；(c)2号时效处理试样Fig.2 The metallographic structure in different samples 0# sintering, 1# solution treatment, 2# aging treatment

由图2可知，1号试样的组织主要以板条马氏体为主，0号和2号试样的组织是由板条马氏体和块状高温铁素体组成.高温铁素体是由于快速冷却时未能及时转化为奥氏体而残留下来的.以10 ℃/s加热时，17-4PH不锈钢奥氏体转变的开始温度AC1和结束温度AC3分别为725 ℃和915 ℃[12].当1号试样在1040 ℃固溶后，残余的高温铁素体完全转化为奥氏体，奥氏体含量增加，水冷后使奥氏体转变为马氏体的Cu、Nb的固溶强化增强. 因此，1号试样经固溶处理后，其洛氏硬度高于0号烧结试样，如表3所列.将图2(a)和图2(c)进行比较发现，2号试样的晶粒内部有第二相粒子析出(图2(c)箭头所指)，并且第二相粒子弥散分布在基体中.由表3可知，2号试样的硬度值最大，为38HRC，说明时效处理可显著提高17-4PH不锈钢的硬度. 1号试样显微组织以马氏体为主，Cu、Nb的固溶强化较为显著，但低于2号试样的二次弥散强化.

表3 不同试样的洛氏硬度

2.2 XRD物相分析

图3是MIM 17-4PH试样的X射线衍射图.由图3可知，三种试样的强衍射峰大致相同，与PDF标准卡片对比发现，强衍射峰为BCC结构的α-Fe衍射峰.由于铁素体和马氏体的晶格常数相差较小[13-14]，单独通过X射线衍射分析难以区分铁素体和马氏体，但结合金相显微组织图2以及表3洛氏硬度可知，三种试样的组织主要以板条马氏体为主.1号试样除了主要的马氏体衍射锋外，还有(111)γ奥氏体衍射锋，这表明试样热处理前残留的铁素体经过1040 ℃固溶处理后完全转变为奥氏体.2号试样除保留原有的衍射峰外，还有(200)ε-Cu衍射锋.根据Fe-Cu相图，高温下铜在铁中的固溶度为7%，经过时效处理后，过饱和铜析出，并弥散分布在基体中.

图3 不同试样的X射线衍射图 Fig.3 The XRD pattern of different samples

2.3 盐雾腐蚀性能

对试样进行盐雾腐蚀性能测试的结果列于表4.由表4可知，1号试样的耐腐蚀性最好，2号试样的耐腐蚀性能最差，仅8 h就出现腐蚀点.由Fe-C相图可知，C在钢中的饱和溶解度小于0.02%，MIM17-4PH试样在烧结后冷却到室温的过程中，处在过饱和状态下的C易与Fe和Cr在晶间形成碳化物，导致局部贫铬而发生晶间腐蚀[15].1号试样经过固溶处理后碳化物溶于基体中， 减少了贫铬现象，从而有助于提高其耐腐蚀性能；2号试样在480 ℃时效时，进一步加剧了碳化物的析出，导致其腐蚀性能下降.

表4 不同试样的盐雾腐蚀性能

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

试样热处理方式腐蚀起始时间/h0号无121号烧结+固溶1040℃>242号烧结+时效480℃8

3 结 论

MIM17-4PH不锈钢的基体组织主要由板条马氏体和块状铁素体组成.经过1040 ℃固溶处理后，铁素体完全转化为奥氏体，室温下有少量奥氏体残留，材料硬度从24HRC增加到29HRC，盐雾腐蚀24 h未出现腐蚀斑点，材料的综合性能提高.通过480 ℃时效处理，基体中弥散分布着第二相铜粒子，材料的硬度达到38HRC，但盐雾腐蚀8 h出现斑点.

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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，内蒙古通辽人，本科.

1673-9981(2017)01-0019-04

TG142.71

A