時效工藝對17-4PH不銹鋼組織和硬度的影響*

重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084

熱處理強化是金屬材料強化的重要手段之一，熱處理可以改變材料的顯微組織以獲得所需的各種性能。時效處理是不銹鋼熱處理工藝的一種，不銹鋼材料在固溶后可通過時效處理來進一步強化基體[1]。17-4PH不銹鋼是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，可通過時效處理進行強化以獲得優良的綜合力學性能，該材料已經被廣泛應用于航空、航天等領域所需的機械軸類、汽輪機等關鍵部件的制造[2]。文章重點研究了不同時效熱處理工藝對17-4PH不銹鋼組織及硬度的影響規律。

1 實驗材料

用于實驗研究的17-4PH不銹鋼材料化學成分及含量如表1所示。

表1 17-4PH不銹鋼化學成分（質量分數）及含量 單位：%

2 實驗方案

先將材料樣坯在1060℃下進行高溫固溶處理，固溶保溫時間為30min，使材料中的合金元素在高溫時充分溶入奧氏體中。保溫結束后進行水冷，增大過冷度以減少殘余奧氏體的形成。將固溶后的實驗材料樣坯采用線切割方式切成4個24mm×30mm×6mm的塊狀試樣，再將試樣分別在480℃、520℃、560℃和620℃ 4個溫度下進行時效熱處理，時效保溫時間為4h，保溫結束后空冷至室溫。將處理好的4個試樣分別進行金相高倍組織觀察和洛氏硬度試驗，通過對比不同時效溫度所得到的微觀組織和硬度的差異，分析17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼在固溶處理和時效處理后組織和硬度的變化規律，從而確定17-4PH不銹鋼的最佳熱處理方案。

3 實驗儀器

該實驗的熱處理設備采用SX-G08133型節能箱式電阻爐，采用徠卡DMI5000M型光學金相顯微鏡進行高倍組織觀察，采用HR-150A型洛氏硬度計對各樣品進行硬度檢測。

4 實驗結果

4.1 金相組織

試樣在1060℃固溶后再經不同溫度時效的金相組織如圖1所示。從圖1中可以看出，不同溫度時效后試樣的金相組織構成基本相同，試樣的基體組織均為回火馬氏體，基體上分布有較多的沉淀相以及少量的鐵素體和殘余奧氏體。鐵素體含量、大小及形態在時效過程中未發生改變，這是由于17-4PH中的鐵素體為δ高溫鐵素體，它的形成溫度高、穩定性好，在時效溫度范圍內不發生轉變。在不同時效溫度下，試樣中沉淀相的含量、大小和分布形態存在較大差異。480℃時效時沉淀相較少，但十分細小，呈彌散分布；隨著時效溫度的升高，馬氏體逐漸分解，沉淀相含量增加，試樣腐蝕后基體組織顏色逐漸加深，這是由于沉淀相的耐蝕性相對較差。在時效溫度達到620℃時，馬氏體已完全分解，沉淀相含量最多，同時沉淀相顆粒尺寸增大，發生粗化，試樣基體顏色更深。17-4PH馬氏體不銹鋼在固溶和時效處理時，通過固溶淬火發生馬氏體相變以及合金元素的時效強化作用對材料進行強化，經過固溶處理后的金相組織是大量的板條狀馬氏體、少量的殘余奧氏體以及條狀鐵素體組織[3]。在經過時效處理以后其馬氏體組織轉變為回火馬氏體，部分殘余奧氏體發生二次淬火轉變為馬氏體組織，而合金元素在晶內和晶界的析出形成了細小第二相，即沉淀相，彌散分布在材料中，從而對材料起到彌散強化作用[4]。

圖1 固溶后經不同溫度時效的金相組織

4.2 硬度實驗

對固溶后在不同溫度時效的試樣進行硬度檢測，結果如表2所示。從表2中可以看出，試樣經1060℃固溶后再進行時效，隨著時效溫度的升高，硬度逐漸降低，480℃時效后材料硬度最高，620℃時效后由于馬氏體充分分解，沉淀相明顯粗化，其硬度降到最低。

表2 不同溫度時效后的硬度

5 討論與建議

時效強化是指合金元素充分固溶形成固溶體以后，在常溫或加溫的條件下，固溶體中的合金元素以碳化物、金屬間化合物等形式的第二相析出，形成彌散分布的硬質質點，對位錯切過造成阻力，達到材料強度增加和強化的作用[5]。合金元素經固溶處理后，獲得過飽和固溶體，在隨后的低溫加熱保溫過程中，第二相從過飽和固溶體中析出，引起強度、硬度以及物理性能的顯著變化，這一過程被稱為時效。在時效過程中，過飽和固溶體分解，合金元素以一定方式析出，彌散分布在基體中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位錯的運動，從而提高合金強度[6]。17-4PH不銹鋼含有較多的Cr、Ni、Cu、Nb等合金元素，可以通過固溶強化和時效強化提高其強度和韌性。17-4PH不銹鋼經1060℃高溫固溶處理后，水冷后的基體組織為板條狀淬火馬氏體，在淬火馬氏體基體上彌散分布著一定量的沉淀相以及少量的鐵素體和殘余奧氏體，固溶后奧氏體為少量殘余相，鐵素體在時效過程中不發生轉變。樣品固溶處理再經時效處理后，淬火馬氏體逐漸轉變為回火馬氏體，富含合金元素的碳化物、金屬間化合物等第二相從馬氏體基體大量析出，并隨著時效溫度的升高逐漸發生聚集。17-4PH不銹鋼為超低碳不銹鋼，碳的固溶強化作用較小，合金元素的強化作用較明顯，同時此鋼種添加了大量的Cu元素，Cu元素是17-4PH不銹鋼產生時效強化的重要元素，依靠析出第二相即富銅相質點使材料產生沉淀強化[7]。

眾所周知，材料硬度與第二相組織即沉淀相之間的關系和位錯切割富銅相的強化機制有密切聯系。位錯在運動方向上與沉淀相質點相遇時，表現為兩種交互運動方式，分別為繞過沉淀相質點和切過沉淀相質點[8]。其中，繞過機制強化的沉淀相質點稱為不可變形顆粒，切過機制強化沉淀相質點稱為可變行顆粒。隨著時效強化的進行，富銅相逐漸彌散析出，在材料中起到非常關鍵的強化作用[9]。根據實驗結果得知，在不同溫度時效中析出不同形態和數量的第二相組織時，會產生不同的沉淀效應和強化作用；通過顯微組織分析和硬度檢測得知，不同溫度時效的金相組織構成相同，但在不同時效溫度時，沉淀相的含量、大小和分布形態不同。在480℃較低溫度時效時析出的沉淀相相對較少，但其顆粒十分細小，而且呈均勻彌散分布，這是因為溫度較低時合金元素擴散較慢，馬氏體分解緩慢，沉淀硬化相雖然較少，但彌散均勻分布，能對材料起到很好的強化作用，所以在時效溫度為480℃時，其材料硬度最高。隨著時效溫度的逐步升高，馬氏體逐漸分解，沉淀相含量增加，但顆粒尺寸逐漸增大，硬度逐漸降低，在時效溫度達到620℃時，馬氏體已完全分解，沉淀相含量最多，沉淀相顆粒尺寸增至最大，發生明顯粗化，因此其硬度降到最低。

綜上所述，對于給定成分的17-4PH不銹鋼，其硬度和性能與金相組織相互對應，與時效工藝密切相關，因此，可根據材料使用目的，通過調整時效工藝來控制其金相組織特別是富銅沉淀強化相的狀態，以獲得材料所需的硬度和性能。

6 結論

該實驗對比分析了不同時效熱處理條件下17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼的組織和硬度的差異，并對其影響規律進行了研究，得出以下結論。

（1）17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼在經過固溶和時效熱處理后，其金相組織為回火馬氏體和沉淀硬化相，并含有少量殘余奧氏體和鐵素體。

（2）相同固溶處理溫度下，隨著時效溫度的升高，馬氏體逐漸分解，沉淀相含量逐漸增多，但顆粒尺寸增大和粗化。

（3）相同固溶處理溫度下，隨著時效溫度的升高，材料硬度逐漸降低。