调整处理对17-4PH钢组织和性能的影响

2021-09-29王全振那艳会张晖瑾马超陈鑫刘爽庆

金属加工(热加工) 2021年9期

王全振，那艳会，张晖瑾，马超，陈鑫，刘爽庆

1.沈阳鼓风机集团股份有限公司辽宁沈阳 110869

2.通用技术集团大连机床有限责任公司辽宁大连 116000

1 序言

17-4PH钢是典型的马氏体沉淀硬化不锈钢，具有高强度、高韧性、抗腐蚀性、高耐压性等优点，适用于多种条件和恶劣的工况条件服役，因此被广泛用于压力容器、飞行器和汽轮机叶片等领域。本文对17-4PH钢进行了不同工艺的热处理，包括固溶处理+时效和固溶处理+调整处理（温度不同）+时效处理。调整处理的目的是降低奥氏体中的合金元素含量，以提高马氏体转变温度Ms点。由于调整处理时一部分碳以及铬、铌等合金元素只能部分溶于奥氏体中，另一部分碳以及铬、铌等元素以碳化物形式从奥氏体中析出。改变调整处理温度，可调整奥氏体合金元素的含量，从而导致钢组织、性能发生变异[1]。本文重点研究调整处理温度对17-4PH钢显微组织和力学性能的影响。

2 试验材料及试验方法

试验材料为17-4PH钢，试棒尺寸为φ100mm×100mm，其化学成分见表1。该材料是经电炉冶炼、锻造成形，并经超声波检测合格。热处理工艺试验参数见表2。

表1 试验材料的化学成分（质量分数）（%）

表2 热处理工艺参数

3 试验结果及分析

3.1 调整处理温度对17-4PH钢力学性能的影响

马氏体沉淀硬化不锈钢的强化机制包含了相变强化、时效强化、第二相强化等。马氏体转变指高温奥氏体经快速冷却，在较低温度下发生无扩散切变形成体心正方的马氏体；金属材料固溶体中过饱和元素从基体中析出形成第二相粒子，该第二相粒子诱发应变，使得金属材料晶格发生畸变，从而强化金属，这是沉淀硬化的主要机理；时效处理是沉淀硬化不锈钢热处理过程中的最后一步，通过时效作用，基体材料的析出相逐渐沉淀出来，也因此获得良好的综合力学性能[2]。

依据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》，在RSA250拉伸试验机上进行室温拉伸试验；依据GB/T 229—2020《金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》，采用夏比V型试样，在JWB-300型冲击试验机上进行冲击试验（结果取3个试验的平均值）；使用Axiovert200MAT型光学显微镜观察金相组织。

表3为17-4PH钢经不同热处理工艺力学性能测试结果。从中可以看出，1#试样经固溶处理+时效处理的17-4PH钢强度和硬度指标最高，但塑性指标不理想，冲击吸收能量较低。此外，对比2#～4#试样力学性能分析，随着调整温度的升高，17-4PH钢强度和硬度值随之增加，但塑性指标则随之下降，以冲击吸收能量下降尤为明显。通过不同的调整处理温度，使马氏体转变点升高，随后的冷却形成的马氏体量增加；采用相同的时效温度，形成的回火马氏体也是增加的，因此随着调整温度的提高，强度随之上升，塑性指标下降。

表3 力学性能测试结果

3.2 调整处理对17-4PH钢显微组织的影响

由于调整处理时，一部分碳以及铬、铌等合金元素只能部分溶于奥氏体中，另一部分碳以及铬、铌等合金元素以碳化物形式从奥氏体中析出。调整处理的目的是降低奥氏体中的合金元素含量，以提高马氏体转变温度Ms点。随着调整温度的升高，部分碳以及铬、铌等合金元素以碳化物形式从奥氏体中析出的越多，这样Ms点升高，固溶进基体的碳及合金元素的量减少，奥氏体稳定性下降，在随后的快冷过程中获得的马氏体含量增高，残留奥氏体含量下降。中间调整处理使材料的逆转变奥氏体的析出峰温度降低，导致材料的逆转变奥氏体含量升高[3]。同样的时效温度马氏体含量高，抗拉强度随之上升，塑性指标下降。金相组织如图1所示。