时效工艺对17-4PH不锈钢组织和硬度的影响*

重庆钢铁研究所有限公司，重庆 400084

热处理强化是金属材料强化的重要手段之一，热处理可以改变材料的显微组织以获得所需的各种性能。时效处理是不锈钢热处理工艺的一种，不锈钢材料在固溶后可通过时效处理来进一步强化基体[1]。17-4PH不锈钢是一种马氏体沉淀硬化不锈钢，可通过时效处理进行强化以获得优良的综合力学性能，该材料已经被广泛应用于航空、航天等领域所需的机械轴类、汽轮机等关键部件的制造[2]。文章重点研究了不同时效热处理工艺对17-4PH不锈钢组织及硬度的影响规律。

1 实验材料

用于实验研究的17-4PH不锈钢材料化学成分及含量如表1所示。

表1 17-4PH不锈钢化学成分（质量分数）及含量 单位：%

2 实验方案

先将材料样坯在1060℃下进行高温固溶处理，固溶保温时间为30min，使材料中的合金元素在高温时充分溶入奥氏体中。保温结束后进行水冷，增大过冷度以减少残余奥氏体的形成。将固溶后的实验材料样坯采用线切割方式切成4个24mm×30mm×6mm的块状试样，再将试样分别在480℃、520℃、560℃和620℃ 4个温度下进行时效热处理，时效保温时间为4h，保温结束后空冷至室温。将处理好的4个试样分别进行金相高倍组织观察和洛氏硬度试验，通过对比不同时效温度所得到的微观组织和硬度的差异，分析17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢在固溶处理和时效处理后组织和硬度的变化规律，从而确定17-4PH不锈钢的最佳热处理方案。

3 实验仪器

该实验的热处理设备采用SX-G08133型节能箱式电阻炉，采用徕卡DMI5000M型光学金相显微镜进行高倍组织观察，采用HR-150A型洛氏硬度计对各样品进行硬度检测。

4 实验结果

4.1 金相组织

试样在1060℃固溶后再经不同温度时效的金相组织如图1所示。从图1中可以看出，不同温度时效后试样的金相组织构成基本相同，试样的基体组织均为回火马氏体，基体上分布有较多的沉淀相以及少量的铁素体和残余奥氏体。铁素体含量、大小及形态在时效过程中未发生改变，这是由于17-4PH中的铁素体为δ高温铁素体，它的形成温度高、稳定性好，在时效温度范围内不发生转变。在不同时效温度下，试样中沉淀相的含量、大小和分布形态存在较大差异。480℃时效时沉淀相较少，但十分细小，呈弥散分布；随着时效温度的升高，马氏体逐渐分解，沉淀相含量增加，试样腐蚀后基体组织颜色逐渐加深，这是由于沉淀相的耐蚀性相对较差。在时效温度达到620℃时，马氏体已完全分解，沉淀相含量最多，同时沉淀相颗粒尺寸增大，发生粗化，试样基体颜色更深。17-4PH马氏体不锈钢在固溶和时效处理时，通过固溶淬火发生马氏体相变以及合金元素的时效强化作用对材料进行强化，经过固溶处理后的金相组织是大量的板条状马氏体、少量的残余奥氏体以及条状铁素体组织[3]。在经过时效处理以后其马氏体组织转变为回火马氏体，部分残余奥氏体发生二次淬火转变为马氏体组织，而合金元素在晶内和晶界的析出形成了细小第二相，即沉淀相，弥散分布在材料中，从而对材料起到弥散强化作用[4]。

图1 固溶后经不同温度时效的金相组织

4.2 硬度实验

对固溶后在不同温度时效的试样进行硬度检测，结果如表2所示。从表2中可以看出，试样经1060℃固溶后再进行时效，随着时效温度的升高，硬度逐渐降低，480℃时效后材料硬度最高，620℃时效后由于马氏体充分分解，沉淀相明显粗化，其硬度降到最低。

表2 不同温度时效后的硬度

5 讨论与建议

时效强化是指合金元素充分固溶形成固溶体以后，在常温或加温的条件下，固溶体中的合金元素以碳化物、金属间化合物等形式的第二相析出，形成弥散分布的硬质质点，对位错切过造成阻力，达到材料强度增加和强化的作用[5]。合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体，在随后的低温加热保温过程中，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度、硬度以及物理性能的显著变化，这一过程被称为时效。在时效过程中，过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高合金强度[6]。17-4PH不锈钢含有较多的Cr、Ni、Cu、Nb等合金元素，可以通过固溶强化和时效强化提高其强度和韧性。17-4PH不锈钢经1060℃高温固溶处理后，水冷后的基体组织为板条状淬火马氏体，在淬火马氏体基体上弥散分布着一定量的沉淀相以及少量的铁素体和残余奥氏体，固溶后奥氏体为少量残余相，铁素体在时效过程中不发生转变。样品固溶处理再经时效处理后，淬火马氏体逐渐转变为回火马氏体，富含合金元素的碳化物、金属间化合物等第二相从马氏体基体大量析出，并随着时效温度的升高逐渐发生聚集。17-4PH不锈钢为超低碳不锈钢，碳的固溶强化作用较小，合金元素的强化作用较明显，同时此钢种添加了大量的Cu元素，Cu元素是17-4PH不锈钢产生时效强化的重要元素，依靠析出第二相即富铜相质点使材料产生沉淀强化[7]。

众所周知，材料硬度与第二相组织即沉淀相之间的关系和位错切割富铜相的强化机制有密切联系。位错在运动方向上与沉淀相质点相遇时，表现为两种交互运动方式，分别为绕过沉淀相质点和切过沉淀相质点[8]。其中，绕过机制强化的沉淀相质点称为不可变形颗粒，切过机制强化沉淀相质点称为可变行颗粒。随着时效强化的进行，富铜相逐渐弥散析出，在材料中起到非常关键的强化作用[9]。根据实验结果得知，在不同温度时效中析出不同形态和数量的第二相组织时，会产生不同的沉淀效应和强化作用；通过显微组织分析和硬度检测得知，不同温度时效的金相组织构成相同，但在不同时效温度时，沉淀相的含量、大小和分布形态不同。在480℃较低温度时效时析出的沉淀相相对较少，但其颗粒十分细小，而且呈均匀弥散分布，这是因为温度较低时合金元素扩散较慢，马氏体分解缓慢，沉淀硬化相虽然较少，但弥散均匀分布，能对材料起到很好的强化作用，所以在时效温度为480℃时，其材料硬度最高。随着时效温度的逐步升高，马氏体逐渐分解，沉淀相含量增加，但颗粒尺寸逐渐增大，硬度逐渐降低，在时效温度达到620℃时，马氏体已完全分解，沉淀相含量最多，沉淀相颗粒尺寸增至最大，发生明显粗化，因此其硬度降到最低。

综上所述，对于给定成分的17-4PH不锈钢，其硬度和性能与金相组织相互对应，与时效工艺密切相关，因此，可根据材料使用目的，通过调整时效工艺来控制其金相组织特别是富铜沉淀强化相的状态，以获得材料所需的硬度和性能。

6 结论

该实验对比分析了不同时效热处理条件下17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的组织和硬度的差异，并对其影响规律进行了研究，得出以下结论。

（1）17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢在经过固溶和时效热处理后，其金相组织为回火马氏体和沉淀硬化相，并含有少量残余奥氏体和铁素体。

（2）相同固溶处理温度下，随着时效温度的升高，马氏体逐渐分解，沉淀相含量逐渐增多，但颗粒尺寸增大和粗化。

（3）相同固溶处理温度下，随着时效温度的升高，材料硬度逐渐降低。