熱處理工藝對17-4PH 沉淀硬化型不銹鋼性能的影響

文/周鵬，李波，陳曉彤·中車資陽機車有限公司

17-4PH(05Cr17Ni4Cu4Nb)鋼，是一種以Cr17 型馬氏體不銹鋼為基礎發(fā)展起來的低碳馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，由于基體中的含碳量較低，耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于其他馬氏體型不銹鋼，而接近于某些奧氏體不銹鋼，且具有良好的綜合機械性能，可廣泛應用于航空、航天、化學和核工業(yè)等高科技領域。我司生產該材質的模鍛件產品，交貨狀態(tài)為鍛后固溶時效熱處理，主要用于生產加工航空耐高溫、耐高壓風機葉片制造。

本文通過對17-4PH 葉片進行了系統(tǒng)的熱處理工藝試驗，為達到不同機械性能，通過調整熱處理工藝參數，得出17-4PH 不銹鋼較全面的理化性能數據，有助于拓寬我司鍛件市場范圍。由于該材質固有特性以及模鍛件產品尺寸扭度大等綜合因素，該產品的開發(fā)難度和質量保證難度較大，通過此次開發(fā)，可提高工藝人員的能力；提高該類產品的質量保證能力，為后續(xù)相關產品的設計和生產提供技術支持。圖1 為本次試驗的葉片模型圖。

產品技術要求

原材料

17-4PH 鋼，按照GJB 5040-2001 航空用鋼鍛件規(guī)范，化學成分含量見表1。

機械性能及高倍組織

交貨狀態(tài)為固溶時效，每熱處理爐次隨機抽取一件實物按(JB/T 3073.2-1991 汽輪機用模鍛動、靜葉片，熱軋靜葉片毛坯技術條件 模鍛動葉片毛坯)取試(葉片根部)，位置如圖2 所示。機械性能及金相組織等技術要求見表2。

圖1 17-4PH 葉片模型圖

表1 17-4PH 鋼原材料化學成分含量(%)

圖2 17-4PH 葉片取試示意圖

工藝分析及生產工藝

冶煉

采用非真空感應爐+電渣冶煉工藝，φ150 ～φ200mm 圓鋼料坯，交貨狀態(tài)為退火態(tài)并車光，表面無裂紋、結疤、重皮、接痕，超聲波檢驗符合GB/T 4162-2008 A 級要求檢驗合格，奧氏體本質晶粒度不小于5 級，其余如低倍組織、非金屬夾雜物、表面質量及小試棒機械性能等符合GJB 2294-1995 相關規(guī)定。

冶煉中嚴格控制原材料化學成分含量，熔煉爐號為A-A 的化學成分含量見表3。

工藝流程

17-4PH 葉片生產過程：下料→加熱/出坯→打磨→加熱/模鍛→檢查→打磨→熱處理→檢查→檢測→裝箱/發(fā)送。

鍛造工藝

17-4PH 葉片鍛造加熱工藝見表4。

鍛造加熱時，為避免得到粗大組織和產生過多的δ-鐵素體導致開裂，鍛造溫度不宜過高，控制在900 ～1180℃，并在生產中用手持紅外線測溫儀對終鍛溫度嚴密監(jiān)測，低于900℃及時回爐重新加熱。由于17-4PH 鋼加熱區(qū)間窄，鍛造過程中要求動作迅速，每次壓下量較小且均勻，避免大的變形量。鍛造后需將鍛件及時放進保溫箱箱冷或進熱處理爐退火處理。

鍛造過程中須頻繁利用高壓風清除氧化皮，鍛造缺陷未清除干凈進入熱處理工序，會因應力集中直接引起熱處理淬火裂紋擴展并導致批量質量問題。所以鍛件表面如有毛刺、尖棱尖角等缺陷，需經打磨工序清除干凈并圓滑過渡，不會在熱處理擴展的缺陷則無需處理。

表2 17-4PH 葉片技術要求

表3 A-A 原材料化學成分含量(%)

表4 五種17-4PH 葉片鍛造工藝

熱處理工藝

⑴熱處理設備。

根據GJB 5040-2001 航空用鋼鍛件規(guī)范，17-4PH 材料固溶溫度在1030℃～1050℃，選取的熱處理設備爐溫均勻性要達到±15℃。

⑵裝爐方式。

根據葉片的外形和有效截面尺寸，結合質量保證、生產效率等因素，采用熱處理專用料筐裝爐，葉片為軸類件，為有效控制變形，采用葉身在上、葉根在下縱向裝爐，每件之間避免緊密貼合而留有空隙。

⑶熱處理方式及參數。

根據技術要求，熱處理采用固溶時效。所謂固溶，即是將合金(不銹鋼)加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相(碳化物相)充分溶解到固溶體中并快速冷卻，以得到過飽和固溶體。為了使過冷奧氏體向馬氏體轉變的更完善，獲得更加細小、更加均勻以及較好的綜合性能，固溶之后增加一次中間調整階段。

1)保溫時間。固溶、中間調整的保溫時間：根據不同產品有效厚度，結合實際裝爐情況，計算采用公式：1.5×有效厚度×(1.2 ～2.5)執(zhí)行。整體控制五項產品保溫時間在2 ～4 小時。

時效的保溫時間：參照上述計算原則后適當延長，以充分釋放前期鍛造、固溶、中間調整后的各項應力，當時效時間延長，一方面沉淀相合并長大，沉淀強化減弱；另一方面，固溶強化減弱和基體的回復引起的軟化，使硬度隨時間的延長緩慢減小。綜合考慮，時效保溫時間采用5 ～7 小時。

2)溫度。

固溶溫度：隨著固溶溫度的升高，葉片強度、硬度增加。固溶處理溫度較低時，加熱得到的奧氏體不均勻，合金碳化物沒有充分溶入到固溶體中，淬火后馬氏體過飽和度低，影響后續(xù)的時效沉淀硬化效果。經查，固溶溫度從1030℃～1050℃。

中間調整溫度：采用815℃。

時效溫度：在固溶、中間調整轉變充分的前提下，通過時效溫度的調整來獲取所需性能。在固溶、中間調整相同的前提下，隨著時效溫度的提高，得到的強度、硬度逐漸下降，塑性、韌性呈上升趨勢。根據原材料化學成分、產品強度/硬度要求以及常規(guī)經驗，一般將產品硬度控制在中上限，所以時效溫度各自選擇范圍之前的下限。

試驗數據

五種17-4PH 葉片，取試位置在葉片根部縱向1/4 有效厚度處，每項產品所得機械性能數據見表5。

根據表5 試驗數據可知：按照上述原材料、鍛造、熱處理工藝執(zhí)行后，五種鍛件產品100%檢測洛氏硬度，皆滿足要求。

從圖3、圖4 高倍組織圖片中可以看出：17-4PH葉片熱處理得到均勻的馬氏體組織+極少量的δ-鐵素體，晶粒度達到5.0 級和5.5 級，滿足技術要求。

表5 17-4PH 葉片機械性能結果

圖3 晶粒度5.0 級，2%δ 鐵素體

結束語

圖4 晶粒度5.5 級，2%δ 鐵素體

結合17-4PH 葉片的機械性能與高倍組織，主要與原材料化學成分含量、鍛造變形量及尺寸效應、熱處理參數、時效脆性及δ-鐵素體含量等有關，認真執(zhí)行HB 5024-1989《航空用鋼鍛件》有關技術規(guī)范，經過適宜的鍛造、熱處理后，可得到滿足要求的機械性能及高倍組織，也是控制好批量生產時質量的保證。