0Cr17Ni7Al不锈钢时效强化工艺研究_赵惠.pdf

2023年 第5期 热加工32热 处 理Heat Treatment0Cr17Ni7Al不锈钢时效强化工艺研究赵惠1，2，叶东林1，2，杨洋1，2，刘文龙1，2，程静1，2，陈昊冉1，2，肖杰1，21.西安石油大学材料科学与工程学院 陕西西安 7100652.西安市高性能油气田材料重点实验室 陕西西安 710065摘要：以0Cr17Ni7Al不锈钢为研究对象，分析3种不同时效强化工艺对其组织和硬度的影响。结果显示：采用长时间低温时效（520保温48h，空冷）的热处理工艺后，材料内部由马氏体基体及弥散分布的合金化合物（Ni3Al）组成，这种组织结构有利于提高材料的强度和硬度。经过3种不同热处理工艺后，试样的显微硬度平均值都有明显提高。其中，长时间低温时效热处理工艺下材料的显微硬度平均值最高，达到388.6HV1，与原始态相比提高了89.7%，且此时材料的抗拉强度（Rm）、屈服强度（Rp0.2）和伸长率（A）分别为1309MPa、1107MPa、6.9%，满足后续使用要求（Rm1100MPa）。由此可知，长时间低温时效是提高0Cr17Ni7Al不锈钢强度和硬度的最佳工艺。关键词：0Cr17Ni7Al不锈钢；时效处理；微观组织；显微硬度1 序言0Cr17Ni7Al(17-7PH)是一种沉淀硬化型不锈钢，是在18-8奥氏体型不锈钢的基础上发展起来的半奥氏体不锈钢1，2。这种钢的马氏体点（Ms）低于室温，经过固溶处理后能得到奥氏体组织，但这种奥氏体组织不稳定，可通过热处理或冷加工，使其转变为马氏体组织，然后再通过时效处理，析出沉淀硬化相，从而使钢基体得到强化3。利用相变和沉淀硬化，可使0Cr17Ni7Al不锈钢获得高的强度、硬度、抗疲劳和耐蚀性等优良性能，高温环境下也不易变形，因此被广泛应用在航天、化工和合金加工等领域4-6。然而在实际生产过程中，0Cr17Ni7Al不锈钢产品的强度较低（Rm1000MPa），不能满足后续使用要求（Rm1100MPa）。为解决这一问题，通常采用基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（2021JM-403，2021JQ-604），西安石油大学大学生创新创业训练计划资助项目 （202110705032，S202210705082)，陕西省教育厅科研计划项目资助（21JC027），西安石油大学研究生创新与实践 能力培养项目（YCS21212139，YCS22113161）。热处理方法来实现材料的强化，如固溶时效，固溶调质冷处理时效等7-15。然而，现有关于0Cr17Ni7Al不锈钢热处理工艺的研究，尤其是结合实际生产条件的研究报道较少。因此，本文结合生产实际，通过设计合理的热处理工艺来调控0Cr17Ni7Al不锈钢的微观结构，从而达到提高其强度和硬度的目的，为实际生产提供参考依据。2 试验材料与方法2.1 试验材料试验所用材料为0Cr17Ni7Al不锈钢，尺寸为400mm40mm2mm，其化学成分见表1。2.2 试验与检验对0Cr17Ni7Al不锈钢采取3种不同热处理工艺，具体参数见表2。其中，工艺1为高温时效表10Cr17Ni7Al不锈钢的化学成分（质量分数）（%）CCrNiAlCuSiMnSPFe0.0916.018.06.507.750.751.500.501.001.000.0300.035余量2023年 第5期 热加工33热 处 理Heat Treatment（760保温1.5h，空冷）低温时效（560保温1.5h，空冷）；工艺2为固溶（950保温1.5h，空冷）时效（510保温1.5h，空冷）；工艺3为长时间低温时效（520保温48h，空冷）。试样的腐蚀剂成分为：4%HF4%HNO392%H2O，腐蚀时间为3040s，腐蚀后酒精清洗、风筒吹干。采用Axio Vert.A1型金相显微镜观察0Cr17Ni7Al不锈钢微观形貌，HVS-1000Z型维氏硬度计检测材料的显微硬度，测试载荷为1kf（9.8N），加载时间为10s。拉伸试验在MODEL55100型电子万能试验机上进行，试验温度为室温，拉伸速度为1mm/min。表2热处理工艺参数序号工艺保温温度/保温时间/h冷却条件工艺1一次时效7601.5空冷二次时效5601.5空冷工艺2固溶处理9501.5空冷时效处理5101.5空冷工艺3时效处理52048空冷3 试验结果及讨论为提高材料的强度、硬度，需要采用时效或固溶时效等措施来提高马氏体的转变程度，从而使0Cr17Ni7Al不锈钢获得较高的强度和硬度。3.1 金相组织检测对原始态及3种不同热处理工艺下0Cr17Ni7Al不锈钢进行微观组织观察，结果如图1所示。在原始态下（见图1a），0Cr17Ni7Al不锈钢主要由马氏体基体、细条状铁素体和少量残留奥氏体组成。这是因为0Cr17Ni7Al不锈钢的Ms较低，成形后组织中通常会有铁素体和残留奥氏体保留下来，导致材料强度、硬度降低。按工艺1处理后，0Cr17Ni7Al不锈钢的微观组织（见图1b）中细条状铁素体大量减少，马氏体基体增加，残留奥氏体消失，这种组织结构有利于提高材料的强度和硬度。按工艺2进行热处理后，0Cr17Ni7Al不锈钢的微观组织（见图1c）是以马氏体基体为主、同时分布着零散的细条状铁素体。与原始态相比，组织中a）原始态b）工艺1c）工艺2d）工艺3图10Cr17Ni7Al不锈钢试样的微观组织铁素体的数量明细减少，因此工艺2条件下的试样微观组织也有利于其强度和硬度的提高。按工艺3进行热处理后，0Cr17Ni7Al不锈钢的微观组织（见图1d）由马氏体基体及少量呈现弥散分布的黑色块状Ni3Al组成12，铁素体组织基本消失，这种弥散分布的合金相更有利于提高材料的强度和硬度。2023年 第5期 热加工34热 处 理Heat Treatment3.2 硬度检测对上述4种状态的0Cr17Ni7Al不锈钢试样进行显微硬度检测，结果见表3，硬度分布如图2所示。从图2可看出，与原始态相比，按工艺1、工艺2和工艺3处理后，0Cr17Ni7Al试样的硬度均出现了明显提高，这与微观组织分析结果一致。显微硬度检测结果表明，0Cr17Ni7Al不锈钢原始态的显微硬度平均值为204.8HV1，在工艺1条件下，0Cr17Ni7Al不锈钢试样的显微硬度平均值为337.3HV1，提高了64.7%；工艺2条件下，试样的显微硬度提高了58.9%；工艺3条件下，材料的显微硬度平均值最高，达到388.6HV1，比原始态提高了89.7%。这说明，长时间低温时效产生的合金化合物（Ni3Al）更有利于提高0Cr17Ni7Al不锈钢的强度和硬度。比较3种热处理工艺可看出，采用工艺3时，0Cr17Ni7Al不锈钢的强度和硬度最高，因此该工艺是提高0Cr17Ni7Al不锈钢强度和硬度的最佳热处理工艺。3.3 拉伸试验为进一步分析工艺3对0Cr17Ni7Al不锈钢强度和硬度的影响，分别对原始态和工艺3处理后的图2不同工艺下0Cr17Ni7Al不锈钢的显微硬度a）应力应变曲线b）试验数值图3原始态和工艺3条件下0Cr17Ni7Al不锈钢拉伸试验结果 表3不同工艺下0Cr17Ni7Al不锈钢的显微硬度 （HV1）检测点12345678910平均值原始态208.3213.8201.3214.9196.7203.4205.1197.1201.6206.1204.8工艺1334.4335.6335.2324.7328.2338.7343.2333.5343.6356.1337.3工艺2332.7336.5322.7309.7317.1325.7339.1326.7329.4314.5325.4工艺3386.3370.9387.9409.9388.7385.1383.6390.8393.9388.7388.60Cr17Ni7Al不锈钢试样进行拉伸试验，结果如图3所示。图3a所示为0Cr17Ni7Al不锈钢在不同状态下的应力应变曲线，可见经工艺3处理后，试样的屈服强度和抗拉强度明显高于0Cr17Ni7Al不锈钢原始态。从图3b可知，原始态0Cr17Ni7Al不锈钢的抗拉强度（Rm）、屈服强度（Rp0.2）和伸长率（A）分别为980MPa、659MPa、6.5%；工艺3条件下0Cr17Ni7Al不锈钢的抗拉强度（Rm）、屈服强度（Rp0.2）和伸长率（A）分别为1309MPa、1107MPa、6.9%。由此可见，经过工艺3处理后，2023年 第5期 热加工35热 处 理Heat Treatment0Cr17Ni7Al的抗拉强度提高了329MPa，且满足工程使用要求（Rm1100MPa）。综上所述，长时间低温时效热处理（工艺3：520保温48h，空冷）是提高0Cr17Ni7Al不锈钢强度和硬度的最佳工艺。4 结束语 针对强度和硬度较低的0Cr17Ni7Al不锈钢，采取3种不同热处理工艺后进行微观组织和宏观性能对比分析，可得出以下结论。1）经过长时间低温时效（520保温48h，空冷）热处理后，0Cr17Ni7Al不锈钢由马氏体基体和弥散分布的合金化合物（Ni3Al）组成，铁素体基本消失。2）对0Cr17Ni7Al不锈钢分别进行3种工艺热处理后，试样显微硬度平均值均明显升高。其中，长时间低温时效（520保温48h，空冷）热处理后试样的显微硬度平均值最高，达到388.6HV1，与原始态相比提高了89.7%，该热处理工艺是提高0Cr17Ni7Al不锈钢强度和硬度的最佳选择。3）经过长时间低温时效（520保温48h，空冷）热处理后，0Cr17Ni7Al不锈钢的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达1309MPa、1107MPa、6.9%，满足技术条件和后续使用要求。参考文献：1 顾卓伦，屠征，黄力，等17-7PH不锈钢零件硬度不均匀原因分析J物理测试，2014，32（6）：51-54.2 袁向儒，赵猛，柳美兵4.5mm 0Cr17Ni7Al钢丝性能及拉伸弹簧加工工艺探究J新技术新工艺，2022（1）：21-24.3 SALGADO-LOPEZ J M，SILVA-HERNANDEZ A，OJEDA-ELIZARRARS J L，et alFailure in an AISI 17-4PH steel component caused by stress corrosion cracking:Case studyJMRS Advances，2022（7）：33-38.4 SAKSHIKOKIL-SHAH，SUR A，DARVEKAR S，et alRecent advancements of micro-lattice structures：application，manufacturing methods，mechanical properties，topologies and challengesJArabian Journal for Science and Engineering，2021，46：11578-11600.5 田季林，杨晓飞，蔡其华精密铸造不锈钢叶轮J特种铸造机有色合金，2018，38（6）：636-637.6 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