1Cr17Ni2鋼穩定化回火工藝研究

劉風坤

（貴陽職業技術學院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

1Cr17Ni2不銹鋼是一種發展較為成熟的熱強型馬氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，具有馬氏體不銹鋼的高強度和鐵素體不銹鋼良好的耐蝕性，被廣泛地應用于航空、航天、核電等領域[1]。在航空領域，常將1Cr17Ni2鋼用于制造航空發動機壓氣機的整流葉片、輪、軸等零件。穩定化回火是調質處理后的回火，是合金鋼在熱處理過程中常見的處理方式，目的是為了在不影響材料性能的前提下消除零件在機械加工過程中出現的殘余內應力，從而使材料的成分、組織穩固，進而達到穩定零件尺寸的目的。然而在實際生產過程中，零件承制單位按照現行熱處理制度對1Cr17Ni2鋼制零件進行熱處理時發現：調質處理后經過穩定化回火的零件，其硬度、強度出現大幅波動甚至出現硬度低于產品質量要求的現象，極不利于產品質量的控制和穩定。

為了解決此類問題，本研究首先針對該材料所采用的熱處理制度及在該制度下生產的零件進行復查分析；然后根據分析結論設計相應的驗證試驗，驗證和分析結論的正確性，并在此基礎之上進行摸索性試驗，摸索出合理的穩定化處理參數；最后總結出一套適用于尺寸為17 mm的1Cr17Ni2棒材在鍛造后執行的熱處理制度，提升生產效率，降低廢品率，進而節約制造成本，為該材料在工程中的應用提供一定參考。

1 熱處理制度及已制零件復查

某單位承制的燃氣渦輪發動機靜子葉片經機械加工成成品零件后，進行洛氏硬度檢查時發現，實測硬度值不符合要求。為查明原因，對該單位執行的熱處理制度和已制的成品、半成品零件進行復查。經工藝復查，該單位采用的熱處理制度如下：退火（680℃，保溫4～5 h），淬火（油冷+1 005℃，50～60 min），回火（油冷+回火690℃，3～4 h），穩定化回火（空冷+660℃×2 h）。經臺賬復查，將已制零件穩定化回火前與穩定化回火后的硬度結果列于表1。

表1 1Cr17Ni2鋼葉片穩定化回火前后硬度實測數據

通過表1可知，在現行的熱處理制度下零件的硬度4件中有3件達不到標準要求，但在穩定化回火前零件的硬度可以滿足標準要求。同時，在該熱處理制度下，穩定化回火后零件的硬度較之前有明顯的降低。根據復查結果可推測現行熱處理制度造成最終零件硬度不達標的原因可能是穩定化回火處理的條件不合適。因此，可通過改變穩定化回火的溫度驗證上述推論，同時摸索新的熱處理制度，滿足標準規定的力學性能。

2 實驗材料與方法

表2 熱處理驗證及參數摸索試驗組別

對熱處理后的實驗件按照相應的測試標準進行力學性能測試，拉伸試驗采用WAW-300型電子萬能拉伸機，沖擊韌性實驗采用濟南力領公司生產的沖擊實驗機，硬度測量采用HVD-1000IS型顯微硬度計。

3 實驗結果與分析

將1～7組試樣按照表2中不同熱處理制度實施熱處理后，進行拉伸、沖擊和硬度等力學性能檢測，檢測結果見表3。

表3 試樣力學性能測試結果

3.1 驗證試驗結果

3組和4組的實驗結果表明，在660℃進行穩定化回火處理后與穩定化回火處理前相比，材料的強度（抗拉強度和屈服強度）有明顯的下降，而塑性（斷面收縮率和斷后伸長率）和韌性（沖擊值）有一定的上升，硬度明顯下降。這就解釋了工藝單位在660℃對零件進行穩定化處回火理后硬度有時會出現不達標（硬度值偏低）的情況。1組和2組的實驗結果說明，無論是995℃淬火還是1 005℃淬火后進行穩定化回火處理，都會對材料的力學性能產生相同趨勢的影響。

棒材壓扁的熱處理驗證實驗，雖然沒有模擬出硬度低于標準要求值的情況，但是模擬出1Cr17Ni2鋼在660℃下進行穩定化回火處理時，材料硬度會出現降低的情況，與前述推論相符合。可見，穩定化回火處理工藝參數（660℃，2 h，空冷）制定得并不合適，因此有必要開展實驗探索滿足標準要求的穩定化回火條件。

3.2 摸索試驗結果

硬度結果：3組、5組、6組的硬度實驗結果表明，1Cr17Ni2鋼在640℃、650℃穩定化回火處理前后材料的硬度變化極小，并且比660℃穩定化回火處理時的硬度稍高，也就是說，鋼材料在640℃/650℃進行穩定化回火處理時材料的硬度不會出現降低的現象。7組的實驗結果表明，降低淬火溫度，增加回火次數，即使不進行穩定化回火，也可以得到滿足標準要求的硬度。因此，從保證硬度的角度看，可選擇5～7組所采用的熱處理方式，以保證零件最終的力學性能滿足標準要求。

微觀形貌結果：利用金相顯微鏡對5組和6組試樣在各自的熱處理制度下處理后的微觀組織形貌進行觀察，結果如圖1所示。從圖1中可知，兩者均為回火索氏體，其中δ鐵素體的含量相當，兩種熱處理方式后的組織形貌基本一致。由文獻[2]可知，1Cr17Ni2不銹鋼熱處理后的硬度與組織中δ鐵素體的含量存在一定關系。因此，選擇在650℃、640℃下進行穩定化處理時，材料的硬度將為穩定。

圖1 組織形貌圖

沖擊韌性結果：5～7組的沖擊實驗結果表明，采用穩定化回火處理（一次回火）對材料最終的沖擊值沒有太明顯的影響，而采用多次回火的方式則可以大幅提高材料的沖擊韌性。這也集中體現了不同回火方式（穩定化回火和硬回火）對1Cr17Ni2鋼沖擊值有著較大的影響，可能與該材料存在第二類回火脆性有關：經過調質（淬火+高溫回火）的1Cr17Ni2不銹鋼組織含有M23C6碳化物、δ相、殘余Υ相、不穩定相，在隨后的回火過程中上述相將發生變化，從而導致組織強度、硬度、韌性等多項性能的變化。

拉伸性能結果：5～7組的拉伸實驗結果表明，試樣在3種熱處理制度的拉伸數據（強度及塑性）均能滿足標準要求，其中第5組（650℃穩定化回火處理）的拉伸數據更均衡。

3.3 試驗結果分析

從4～6組的實驗結果來看，材料的強度并沒有隨穩定化溫度的變化呈規律的變化，反而是在650℃穩定化處理后強度最高，這與航空材料手冊的描述不符。從該材料的相圖上可知，該鋼的奧氏體γ相區小，并且γ/γ+α相界面幾乎為直線（如圖2所示）[3]，可見化學成分的波動對熱處理后鋼的組織與力學性能的影響較大。因此，出現上述現象可能是化學成分的波動造成的。

圖2 1Cr17Ni2不銹鋼相圖

對于穩定化處理，一般來說采用低于材料回火熱處理溫度30℃，空冷1～2 h，可保證材料的組織與性能不發生明顯變化[4]。對于一次回火的1Cr17Ni2不銹鋼而言，可能是組織中含有尚未轉變的殘余奧氏體γ'相等，在隨后的穩定化處理過程發生了轉變，從而導致材料硬度等性能發生較大的變化。這也就解釋了零件承制單位在采用660℃進行穩定化處理時會出現硬度不達標（偏低）的原因。結合5組和6組的實驗結果發現，采用650℃和640℃進行穩定化處理時，材料的硬度與穩定化處理前相比變化較小。一般而言，經過熱處理后材料的硬度主要與其組織中δ鐵素體的含量有關，δ鐵素體含量的增多會使材料的硬度降低。影響δ鐵素體含量的因素除了材料中化學元素含量，還與熱處理的溫度有關。因此，通過改變穩定化處理的溫度來穩定材料的硬度是可行的。

綜上，對比5～7組實驗結果可知，3種熱處理方式都能夠得到滿足標準要求的力學性能；但為了得到更為均衡的力學性能，同時考慮到熱處理設備溫度控制精度的影響，推薦在640℃進行穩定化處理。

4 結論

（1）對于1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理在選擇680℃退火，1 005℃淬火，690℃回火，660℃穩定化處理的工藝路線加工時，穩定化處理后材料的硬度明顯下降，這是造成零件硬度不達標的主要原因。

（2）對于1Cr17Ni2不銹鋼的淬火+一次回火組織而言，選擇在640℃與650℃穩定化處理時，材料的硬度相對穩定化處理前變化不大，可保證其力學性能滿足標準要求，考慮到熱處理設備溫度控制精度的影響，推薦采用680℃退火，1 005℃淬火，690℃回火，640℃穩定化處理的工藝路線。

（3）對于1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理，在選擇950℃進行淬火時，可通過采取多次回火的熱處理方式，保證1Cr17Ni2鋼制零件在硬度滿足標準要求的同時，得到較為均衡的力學性能。

（4）對1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理，無論是執行多次回火處理還是執行穩定化處理，其最終結果都是在力學性能滿足標準要求的前提下，降低材料強度，提高材料塑性。