固溶冷却速度对17-4PH不锈钢组织和性能的影响

来源:沈阳鼓风机集团有限公司作者:曲德毅

通过光学显微镜、拉伸试验机等方法研究了相同的固溶温度、时效温度条件下,不同固溶冷却速度对17-4PH钢显微组织和力学性能影响。结果表明,17-4PH不锈钢采用1040℃×2h油冷+620℃×2h空冷热处理工艺,可以获得良好的综合机械性能。固溶采用油冷处理,时效后的组织和力学性能优于空冷和炉冷。

17-4PH不锈钢是一种典型的沉淀硬化不锈钢,具有高强度、耐腐蚀、抗氧化、优良的成型性和可焊接性等特点。广泛应用于航空航天、石油、化工、核工业等工业和军事领域,以及在370℃以下的耐蚀和高强度的结构件,包括阀、泵零件以及螺栓、叶轮、活塞杆等。17-4PH不锈钢是通过固溶后马氏体相变和时效热处理,弥散析出ε-Cu、NbC等强化相来获得所需组织和力学性能。目前有关热处理工艺,如固溶温度、时效温度及时间等,对17-4PH不锈钢的性能和金相组织的影响已经有了大量的研究和论述,但固溶冷却速度对17-4PH不锈钢组织性能影响的研究却相对较少。本文对17-4PH不锈钢在固溶冷却速度下的机械性能和显微组织进行了研究。

1、试验材料、方法及工艺

1.1、试验材料

选择在生产中使用的17-4PH不锈钢活塞杆为试验材料,其化学成分为(质量分数,%):0.018C;0.32Si;0.0091P;0.0095S;0.82Mn;4.17Ni;15.26Cr;3.76Cu;0.27Nb;其余Fe。

1.2、试验方法

室温拉伸依据标准GB/T228.1-2010《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,结果取3次试验的平均值;采用夏比U型标准GB/T229-2007《金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》,在JWB-300型冲击试验机上进行冲击试验,结果取3次试验的平均值;使用Axiovert200MAT型光学显微镜观察金相组织,采用4%高氯酸酒精溶液进行腐蚀。

1.3、试验工艺

17-4PH不锈钢热处理工艺见表1。

表1 17-4PH不锈钢热处理工艺

17-4PH不锈钢热处理工艺

2、试验结果与分析

2.1、力学性能

图1、图2分别为3种不同工艺条件下,17-4PH钢的屈服强度和冲击韧性的变化曲线。可以看出,不同的冷却方式对屈服强度和冲击韧性有较大的影响,油冷时屈服强度和冲击韧性最大。因为17-4PH合金钢强度随着固溶冷却速度的降低而减小,油冷时冷却速度最大,合金强度最高;塑韧性先降后升,炉冷时具有最低塑韧性。钢在固溶时要求钢的实际固溶冷却速度大于临界冷却速度,使奥氏体不发生分解而能大部分转变成马氏体,以获得满意的固溶硬度。对于不锈钢,由于铬、镍含量高,C曲线右移,其临界冷却速度很小,即使是大型零件,用空冷固溶,其实际冷却速度也远超临界冷速。因此,冷却速度越快,就有越多的奥氏体转变为马氏体,不锈钢的强度也就越高;而对于17-4PH钢,合金在缓冷过程中有大量的富铜相析出,导致时效后的有效弥散析出相含量减少,强度降低。另外残留奥氏体含量增加,也导致强度降低。

冷却方式对17-4PH钢屈服强度的影响

图1 冷却方式对17-4PH钢屈服强度的影响

冷却方式对17-4PH钢冲击韧性的影响

图2 冷却方式对17-4PH钢冲击韧性的影响

2.2、金相组织

图3和图4分别是1#、3#试样的显微组织照片。可以看出,1#试样的晶粒度比3#试样明显细化。并且弥散析出ε-Cu、NbC相更趋于均匀。Cu原子趋向于聚集成区,接续或附着在母相上,形成富铜相和基体共格,引起点阵畸变。采用炉冷(≤1℃/min)处理时,由于实际保温时间过长,晶粒明显长大(如图4)。并且过低的冷却速度使奥氏体向马氏体转变时发生分解。

1#试样显微组织

图3 1#试样显微组织

3#试样显微组织

图4 3#试样显微组织

3、讨论与分析

17-4PH不锈钢的Ac1为670℃,Ac3为740℃,在采用油冷或空冷时冷速很快降到Ac3以下,而采用炉冷(≤1℃/min)时,从1040℃降到740℃需要300min的时间。由于材料已经充分保温与扩散,在长时间的冷却过程中晶粒迅速地长大,因此产生了不同的力学性能和金相组织。为得到较好的综合力学性能,一般采用1040℃固溶,油冷,620℃过时效处理的方法。在620℃合金进入过时效阶段,时效温度提高,马氏体板条逐渐分解,奥氏体含量增加,马氏体基体上的碳化物及其它沉淀硬化相析出逐渐明显。在过时效阶段,随着时效温度的提高,马氏体中碳含量和合金元素不断降低,原来的共格富铜相转变为非共格相,并逐渐粗化,固溶体软化,基体回复并发生奥氏体逆转变,使得不锈钢强度逐渐降低,而塑性和韧性提高。

在实际生产中,冷却时分别采用空冷、油冷和水冷,有时由于工件形状会引起龟裂。这时往往采用比较温和的冷却速度。即使用1℃/min的冷却速度,由于相变点在150℃以下,仍容易引起龟裂。通过大量的生产与试验表明,当采用1℃/min的冷却速度时,金相组织的变化导致力学性能的急剧恶化。因此,在结构复杂的工件上应选择空冷的方式进行固溶处理。17-4PH不锈钢的Ms150℃、Mf=32℃,在夏天生产时由于很难冷却到32℃以下,使得大量残余奥氏体的存在,降低材料的强度和塑性。通常采用750℃保温的方法进行调整处理,提高Ms和Mf点,从而消除残留奥氏体,提高强塑性。

4、结论

(1)17-4PH不锈钢是一种典型的沉淀硬化不锈钢,采用1040℃固溶,油冷,620℃过时效处理方法,可以获得较好的综合力学性能。

(2)形状比较复杂的工件,采用1040℃固溶,空冷的方法,可以避免产生龟裂又能达到理想的冷速,得到较好的综合力学性能。

(3)采用750℃保温的进行调整处理,提高Ms和Mf点,从而消除残留奥氏体,提高强塑性。