淺析Cr元素對05Cr17Ni4Cu4Nb時效硬化型不銹鋼組織與性能的影響

欒威威，李 寧

（1.沈陽科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽 110101；2.沈陽科金特種材料有限公司，遼寧 沈陽 110101）

05Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，它是在Cr17系列不銹鋼基礎上，加入Cu、Nb等強化元素，通過馬氏體相變強化以及在400-650℃內時效析出ε-Cu，NbC，M23C6等碳化物強化相而產生沉淀硬化效果[1]。該鋼種含碳量低，鉻含量高，具有高強耐蝕耐氧化等特性，以及優良的成型性和可焊性等特點。廣泛應用于石油化工、航天航空、核工業等領域，以及在使用溫度不高于 370 ℃的要求不銹性及耐弱酸、堿、鹽腐蝕又要求高強度的部件，包括軸、齒輪等傳動裝置件以及螺栓等緊固件，閥、泵等機器部件[2-6]。

由于05Cr17Ni4Cu4Nb鋼的高合金含量特點，其化學成分組成對鋼的組織性能影響也不同。楊剛[7]等人研究了不同Ni含量對0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼富銅相析出的影響，表明Ni可以提高了Cu在γ相區的溶解度，延緩了固溶后爐冷過程中的富銅相析出，降低了Cu在鋼中的擴散激活能。王劍星[8]等人研究了Cu含量對0Cr17Ni4Cu4Nb鋼時效后的力學性能和組織的影響，研究表明鋼中Cu含量增加,對該鋼Ac3無顯著影響，Ac1下降，Ms點上升，Mf點下降；鋼中Cu含量高時，鋼的強度、硬度較高，塑性略低。楊鋼[9]等還研究了Nb含量對0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼組織與力學性能的影響，隨Nb含量的增加，該材料強度增加，塑性降低；隨時效溫度的升高，強度下降。鑒于該鋼種的化學元素Cr含量高達至15%～17.5%，Cr元素對該材料的性能和組織影響較為突出，因此文章主要研究了Cr成分變化對0Cr17Ni4Cu4Nb 沉淀硬化型不銹鋼材料組織和力學性能的影響。的鋼錠，其詳細化學成分如表1所示。所有鋼錠經1T鍛錘鍛制，開鍛溫度為1120℃～1160℃，鍛錘開坯成65×65×Lmm方形坯料，鍛后采用爐冷緩慢冷卻。隨后對不同成分的坯料進行相同的熱處理實驗，熱處理工藝如表2所示。

熱處理完成后，將不同成分的坯料加工成標準金相試樣、直徑為12.5mm，標距50mm的標準拉伸試樣和沖擊試樣，采用OLYMPUS GX51型光學顯微鏡進行組織觀察，采用CMT4000型萬能拉伸試驗機和PTM2000沖擊實驗機中進行力學性能測試和沖擊韌性測試，對Cr含量和試樣組織及性能之間的關系進行討論。

2 試驗結果及分析

1 試驗材料和方法

試驗用料選用規格為250×250×600mm的1.5T真空感應爐（ZG-1.5L/B）熔煉成的Cr含量分別為15.51%、16.57%和17.03%

圖1為不同Cr含量05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼熱處理后的組織照片，從試樣的微觀組織照片可以看出，鋼坯經過1040℃固溶+580℃時效處理后的組織主要由板條馬氏體+少量塊狀鐵素體組成。對比不同Cr含量發現：當 Cr含量為15.51%時，該材料微觀組織則幾乎看不到鐵素體組織的存在，隨Cr含量的增加，鐵素體量逐漸增加，當Cr含量達到17.03%時，組織中出現的鐵素體量增加明顯，這些鐵素體呈塊狀和條狀形態分布。

表3所示為不同Cr含量坯料力學拉伸性能和沖擊性能結果，可以看出，A、B、C成分的鋼錠在相同熱處理工藝制度固溶時效后，材料在各項力學性能均呈現差異性，其中Cr含量為15.51%成分的鋼錠的材料延伸率和沖擊等力學性能指標明顯優越于其他Cr含量的鋼錠。這是因為Cr含量較低，當該材料熱處理后，材料獲得了均勻的板條馬氏體基體，且微觀組織中幾乎看不到鐵素體組織的存在。進行沖擊韌性實驗時，材料的沖擊韌性受到鐵素體的影響較大，當Cr元素含量為15.51%時，此時鐵素體含量低，材料的基體連續性和均勻性較好，因而材料的沖擊韌性也較高。Cr元素的存在，大大提升了05Cr17Ni4Cu4Nb材料的熱處理淬火效果，當Cr元素含量增加時，該材料的熱處理效果也在提升，所以該材料的屈服強度和斷裂強度也在隨著Cr元素的增加而不斷提高。而微觀組織顯示，隨著05Cr17Ni4Cu4Nb材料的Cr元素含量的增加，鐵素體組織的數量也在逐步提升，且當Cr元素增加到17.03%時，該材料的微觀組織中，出現了大量的塊狀和條狀的鐵素體，這些鐵素體以第二相的形式摻雜在板條馬氏體基體中，并且大量的分布在晶界處，進一步弱化了晶界的承受載荷，增加了晶界處應力敏感度。此時鐵素體數量多，且條形和塊狀的鐵素體存在形態也不理想，使得材料的韌性下降，導致了材料的沖擊缺口敏感性降低，使得測得的實驗沖擊功也較低，且沖擊功實驗數據不平行。

表1 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的化學成分（wt%）

表2 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的熱處理工藝

圖1 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼熱處理后的組織照片（×500倍）（a）Cr含量為15.51%的組織照片（b）Cr含量為16.57%的組織照片（c）Cr含量為17.03%的組織照片

表3 05Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的拉伸性能結果

此外，當承受外界牽引拉力載荷時，材料會自主的選擇存在鐵素體分布的晶界處應力集中、形成裂紋和裂紋擴展，當應力超過材料的斷裂強度時，形成永久性破壞斷裂，從而導致了材料的延伸率指標呈現一定的變化趨勢。

3 結論

（1）在相同的實驗條件下，Cr元素含量為15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料具有良好的金相組織，組織主要為半條馬氏體，幾乎看不到鐵素體的存在；

（2）Cr元素含量為15.51%的05Cr17Ni4Cu4Nb材料的抗拉強度及屈服強度等力學性能稍低于Cr含量較高的其他。

（3）與其它05Cr17Ni4Cu4Nb材料對比可知，Cr含量為15.51%的合金具有更好的沖擊韌性等力學實驗性能，材料的微觀組織也更加均勻，且鐵素體數量和形態控制的更加理想，有利于材料的力學性能。