δ铁素体含量对高强度不锈钢韧性的影响

赵 亮

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

随着大型转动零件尺寸的不断增大，高强度沉淀硬化不锈钢的使用越来越广泛，尤其是ASME规范推荐材料。ASTM A705标准中对于屈服强度可达到1100 MPa以上的材料，夏比V型缺口冲击功要求20 J为合格，但是对于高速转动零件还不能满足零件长期稳定使用的要求。本文通过对热处理后沉淀硬化不锈钢的力学性能和显微组织进行检测和分析，并结合δ铁素体含量预测公式，明确了不同化学成分沉淀硬化不锈钢在高强度状态下，冲击韧性和δ铁素体含量的关系。为高速转动零件在高强度使用状态下不同牌号沉淀硬化不锈钢化学成分的设计提供一定的技术支持。

1 沉淀硬化不锈钢强化机理

相对于传统不锈钢，沉淀硬化不锈钢发展较晚，1948年第一代马氏体沉淀硬化不锈钢17-4PH在美国阿姆科公司成功开发，由于化学成分含量相对单一，材料经过固溶化和时效强化处理后，屈服强度可以达到1100 MPa以上，但夏比V型缺口冲击功仅约20 J。对于高速转动零件，遇到强烈振动或冲击极易造成失效。近年开发的高强度沉淀硬化不锈钢材料主要有15-5PH、17-7PH和FV520(B)等，在17-4PH原有化学成分的基础上对铬、镍、铜、铌等元素进行了优化，保证材料高强度的同时还具有良好的冲击韧性。沉淀硬化不锈钢传统的热处理方式为固溶化和时效处理。固溶化的目的是使钢的组织完全奥氏体化，碳化物等析出相完全溶入到奥氏体中，使钢尽可能的软化。时效处理是马氏体沉淀硬化不锈钢的最终热处理，也是决定其力学性能的最有利手段。时效处理的目的是利用时效作用产生细小、弥散分布的沉淀相，以便获得尽可能高的强度和良好的综合力学性能[1]。为了使材料在时效后获得更加良好的综合力学性能，在固溶化和时效处理之间通常加入调整处理，目的是利用奥氏体固溶体的实际化学成分来控制马氏体转变温度Ms点。因为经过固溶处理后的马氏体沉淀硬化不锈钢，在随后的加热过程中会析出碳化物等析出相，导致奥氏体的稳定性降低，冷却时更加容易转变为马氏体，或者可以提高沉淀硬化不锈钢的Ms点。通过选择合适的温度和保温时间，可以控制Ms点达到室温以上某一温度，从而获得全部的马氏体组织[2]。

本文选用不同化学成分的沉淀硬化不锈钢，采用传统热处理工艺方法，使材料达到较高的屈服强度，对材料夏比V型缺口冲击功和显微组织进行检测与观察，并结合δ铁素体含量预测公式进行计算，明确高强度沉淀硬化不锈钢δ铁素体含量与冲击韧性的关系。

2 δ铁素体含量对冲击韧性的影响

沉淀硬化不锈钢的固溶化温度一般采用950～1100 ℃，金相组织为板条状马氏体，随着固溶化温度的升高，马氏体板条逐渐增大。对现有不同化学成分试验材料进行相变点测试，Acs点为1013 ℃，即各种碳化物和金属间化合物完全溶于奥氏体的温度，故选择固溶化温度为1050 ℃。当温度超过1050 ℃，晶界阻力减小，晶粒长大，材料强度下降。对于调整处理，1050 ℃固溶化空冷后，通过X射线衍射定量分析，残余奥氏体含量为8.06%；经过750 ℃调整处理后残余奥氏体含量为7%；经过800 ℃调整处理后为6.2%；850 ℃调整处理后为4.1%；900 ℃调整处理后仍然为4.2%，故最佳调整温度为850 ℃。经480 ℃时效处理后，富铜相和各类碳化物开始析出，材料的强度达到最高值[3]。

现有试验锻件6件，均为不同冶炼炉和电渣重溶后锻造而成，钢的化学成分见表1，试验锻件尺寸为φ120 mm×230 mm，热处理工艺如图1所示。

热处理后加工成标距为30 mm、平行部分直径为φ6 mm的纵向拉伸试样，按标准GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》要求，采用RAS250万能试验机进行拉伸试验；按标准GB/T 231《金属布氏硬度试验方法》要求进行布氏硬度检验；按标准GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》要求进行冲击试验，试样为夏比V型缺口，缺口深度为2 mm，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，每组冲击试验为3个试样，试验温度为室温，力学性能检测结果见表2。

表1 不同试样的实测化学成分(质量分数，%)Table 1 Measured chemical composition of different samples(mass fraction,%)

图1 热处理工艺Fig.1 Heat treatment process

表2 热处理后试样力学性能Table 2 The mechanical properties of samples after heat treatment

由表2可知，6种不同化学成分的马氏体沉淀硬化不锈钢试样，通过固溶化、调整和低温时效处理后，材料的屈服强度均可达到1100 MPa以上[4]，其中1～4#试样在满足高强度的基础上，夏比V型缺口冲击功均满足20 J的要求，而5#和6#试样的冲击功低于20 J。

结合и.я.索科夫公式，计算δ铁素体含量：

δ(%)=2.4Cr+1.0Mo+1.2Si+14Ti+1.4Al+

1.7Nb+1.2V-41C-0.5Mn-2.5Ni-0.3Cu-

1.2Co-18，各试样的δ铁素体含量计算结果见表3。由表3可知，1～4#试样的δ铁素体含量低于5%，5#和6#试样的δ铁素体含量约8%，是造成材料具有高强度而塑性和韧性严重不均的主要原因。

表3 δ铁素体含量计算结果Table 3 The calculation results of δ-ferrite content

3 显微组织

分别对1#和5#试样进行金相组织观察，如图2所示。1#试样主要为板条状马氏体组织，晶界处有大量颗粒状析出物，并没有明显δ铁素体出现，试验数据表现为冲击值满足要求；5#试样在板条马氏体的晶界处有δ铁素体出现，是造成材料具有高强度而冲击功较低的主要原因[5]。

(a,b)1#试样；(c,d)5#试样图2 试样金相组织(a,b)1# sample；(c,d)5# sampleFig.2 Microstructure of samples

4 结论

1)高强度沉淀硬化不锈钢的冲击功与δ铁素体含量密切关系，δ铁素体含量低则冲击功高，反之，δ铁素体含量高则冲击功低；

2)热处理不能消除沉淀硬化不锈钢中的δ铁素体，因而要控制钢中δ铁素体含量；

3)在材料化学成分设计过程中，尤其针对高转速零件，应保证δ铁素体含量<3%，锻造过程中也应该避免过热，才能确保零件长期稳定性。