馬氏體沉淀硬化不銹鋼固溶處理后的基體組織基本上是馬氏體,已具有較好的強度,再經適當的時效處理即可滿足性能要求。一般情況下,采用固溶處理(A),再進行一次時效處理(H)。
0Cr17Ni4Cu4Nb(PH17-4)是馬氏體類沉淀硬化不銹鋼的典型牌號。其化學成分見表5-1,標準規定的力學性能見表5-2。
0Cr17Ni4Cu4Nb 中的主要沉淀硬化元素是銅,銅的沉淀硬化作用明顯,但銅含量偏高時對韌性有影響,對焊接性不利,對于鑄件還容易產生鑄造偏析。因此,實際生產時,常控制含銅量不大于3.5%.加人鈮也可以在時效時起到沉淀硬化的作用,并阻礙時效時組織的晶粒長大傾向。當然,鈮也起到穩定碳的作用。
0Cr17Ni4Cu4Nb的熱處理一般含固溶處理和時效處理。
1. 固溶處理
固溶加熱溫度應保證鋼中的碳和合金元素充分溶于奧氏體中,但也不宜過高。太高的加熱溫度不僅會引起晶粒粗大,還會使馬氏體轉變點太低,致使固溶處理后產生較多的殘留奧氏體。過高的加熱溫度還可能使固溶組織中存在較多含量的鐵素體,影響強化效果。圖5-4是0Cr17Ni4Cu4Nb固溶加熱溫度對Ms 點和硬度影響的關系圖。
0Cr17Ni4Cu4Nb固溶加熱溫度可選用1020~1060℃.這個固溶加熱溫度可控制M.在80~120℃,M,在30℃左右。
由于0Cr17Ni4Cu4Nb含有的鉻、鎳,使固溶奧氏體有較好的穩定性,空冷即可得到馬氏體組織,而且,含銅的ε相析出速度較慢,不必擔心在固溶冷卻階段析出。但是,為使固溶處理后的組織更細,能獲得更好的強化效果,提高塑性和韌性,實際生產時多采用油冷。控制出油溫度不高于室溫,并在充分冷卻后再進行時效處理。采用水冷的固溶效果也很好,但是在某些情況下可能產生裂紋。
固溶處理后的金相組織應是含有過飽和銅的低碳板條狀馬氏體。有時可能還存在少量殘留奧氏體和鐵素體。見圖5-5。
2. 時效處理
0Cr17Ni4Cu4Nb鋼的時效處理應根據對性能的要求確定加熱溫度。有資料報道,約480℃左右溫度時效,可獲得最高的硬度和強度。然后,隨著時效溫度的升高,硬度和強度下降,塑性和韌性提高。見圖5-6和表5-2。
為保證沉淀相的充分析出和時效效果,時效的保溫時間一般不少于4小時,保溫后可采用空氣冷卻。
0Cr17Ni4Cu4Nb固溶和時效處理對應的機械性能見表5-2。一些實測性能數據見表5-3。
0Cr17Ni4Cu4Nb時效后,對耐腐蝕性能有一定的影響。特別是由于富銅相的析出,降低了在氧化性酸中的耐腐蝕性。0Cr17Ni4Cu4Nb 固溶經550℃時效的金相組織圖見圖5-7。
0Cr17Ni4Cu4Nb是比較成熟和穩定的沉淀硬化不銹鋼,一般情況下采用固溶后時效處理就能滿足使用要求,但有的情況下需要用調整處理來提高熱處理質量。
有的零件要求組織更均勻、性能更優良,并嚴格控制殘留奧氏體量,這時,可以在固溶處理后進行一次調整處理再時效。這可保證材料獲得最大量的馬氏體,消除殘留奧氏體,經時效處理后,沉淀析出相更均勻,強化效果更好。
再比如,材料由于前期熱加工不正確或某些成分的影響,降低了馬氏體轉變點溫度,而采用正常的固溶、時效處理,得不到正常的處理效果。這時,也可以考慮在固溶處理后加一次調整處理。
曾經處理過一批外廠供料的0Cr17Ni4Cu4Nb泵軸。按正常工藝規范,加熱1040℃保溫2h后油冷,再經520℃保溫4h的時效處理,在檢測軸料硬度時,只有230HBS,遠遠低于預想的和過去經常達到的360HBS的目標。對于這個意外的結果,最初考慮可能是工人生產操作時未遵守工藝所致。便又取同批軸料按工藝進行固溶處理,然后檢測硬度,結果是170HBS,看來,固溶處理就未達到應該達到的340HB左右的硬度目標。在復檢軸料化學成分的等待期間,約24h后,又檢測軸料硬度,發現從原170HBS升高到了280HBS.對這種放置后硬度升高的現象進行分析推斷,可能是由于這批軸料非控制成分或前期的熱加工不當導致這批軸料的M、M1點下降,且低于0Cr17Ni4Cu4Nb 正常狀態的相變點,從而使得按正常處理工藝都得不到正常效果,在后來的放置期間,經歷了晚上-15℃的溫度區間(當時是十二月份,沈陽地區晚間氣溫較低),而這個溫度可能低于該批軸料材料的實際M.點溫度,促使奧氏體向馬氏體轉變,使軸料硬度提高了。基于這種分析,我們對這批軸料在固溶處理后增加了一次750℃保溫2h后空冷的調整處理,軸料硬度達到330HBS,再經一次520℃保溫4h的時效處理,軸料硬度達360HBS.經力學性能檢測,Rm,1230N/m㎡;Rp0.2,1130N/m㎡;A,12.5%;Z,44.5%。
可見,調整處理作為馬氏體類沉淀硬化不銹鋼的補充處理,其作用是明顯的。