1Cr17Ni2鋼穩(wěn)定化回火工藝研究

劉風(fēng)坤

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550081）

0 引言

1Cr17Ni2不銹鋼是一種發(fā)展較為成熟的熱強(qiáng)型馬氏體-鐵素體型雙相不銹鋼，具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度和鐵素體不銹鋼良好的耐蝕性，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、核電等領(lǐng)域[1]。在航空領(lǐng)域，常將1Cr17Ni2鋼用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的整流葉片、輪、軸等零件。穩(wěn)定化回火是調(diào)質(zhì)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(jī)械加工過程中出現(xiàn)的殘余內(nèi)應(yīng)力，從而使材料的成分、組織穩(wěn)固，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定零件尺寸的目的。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，零件承制單位按照現(xiàn)行熱處理制度對1Cr17Ni2鋼制零件進(jìn)行熱處理時(shí)發(fā)現(xiàn)：調(diào)質(zhì)處理后經(jīng)過穩(wěn)定化回火的零件，其硬度、強(qiáng)度出現(xiàn)大幅波動甚至出現(xiàn)硬度低于產(chǎn)品質(zhì)量要求的現(xiàn)象，極不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和穩(wěn)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(chǎn)的零件進(jìn)行復(fù)查分析；然后根據(jù)分析結(jié)論設(shè)計(jì)相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證和分析結(jié)論的正確性，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行摸索性試驗(yàn)，摸索出合理的穩(wěn)定化處理參數(shù)；最后總結(jié)出一套適用于尺寸為17 mm的1Cr17Ni2棒材在鍛造后執(zhí)行的熱處理制度，提升生產(chǎn)效率，降低廢品率，進(jìn)而節(jié)約制造成本，為該材料在工程中的應(yīng)用提供一定參考。

1 熱處理制度及已制零件復(fù)查

某單位承制的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)靜子葉片經(jīng)機(jī)械加工成成品零件后，進(jìn)行洛氏硬度檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測硬度值不符合要求。為查明原因，對該單位執(zhí)行的熱處理制度和已制的成品、半成品零件進(jìn)行復(fù)查。經(jīng)工藝復(fù)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(wěn)定化回火（空冷+660℃×2 h）。經(jīng)臺賬復(fù)查，將已制零件穩(wěn)定化回火前與穩(wěn)定化回火后的硬度結(jié)果列于表1。

表1 1Cr17Ni2鋼葉片穩(wěn)定化回火前后硬度實(shí)測數(shù)據(jù)

通過表1可知，在現(xiàn)行的熱處理制度下零件的硬度4件中有3件達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但在穩(wěn)定化回火前零件的硬度可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，在該熱處理制度下，穩(wěn)定化回火后零件的硬度較之前有明顯的降低。根據(jù)復(fù)查結(jié)果可推測現(xiàn)行熱處理制度造成最終零件硬度不達(dá)標(biāo)的原因可能是穩(wěn)定化回火處理的條件不合適。因此，可通過改變穩(wěn)定化回火的溫度驗(yàn)證上述推論，同時(shí)摸索新的熱處理制度，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

表2 熱處理驗(yàn)證及參數(shù)摸索試驗(yàn)組別

對熱處理后的實(shí)驗(yàn)件按照相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸試驗(yàn)采用WAW-300型電子萬能拉伸機(jī)，沖擊韌性實(shí)驗(yàn)采用濟(jì)南力領(lǐng)公司生產(chǎn)的沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，硬度測量采用HVD-1000IS型顯微硬度計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將1～7組試樣按照表2中不同熱處理制度實(shí)施熱處理后，進(jìn)行拉伸、沖擊和硬度等力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3組和4組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在660℃進(jìn)行穩(wěn)定化回火處理后與穩(wěn)定化回火處理前相比，材料的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(jìn)行穩(wěn)定化處回火理后硬度有時(shí)會出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)（硬度值偏低）的情況。1組和2組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，無論是995℃淬火還是1 005℃淬火后進(jìn)行穩(wěn)定化回火處理，都會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生相同趨勢的影響。

棒材壓扁的熱處理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，雖然沒有模擬出硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求值的情況，但是模擬出1Cr17Ni2鋼在660℃下進(jìn)行穩(wěn)定化回火處理時(shí)，材料硬度會出現(xiàn)降低的情況，與前述推論相符合?？梢?，穩(wěn)定化回火處理工藝參數(shù)（660℃，2 h，空冷）制定得并不合適，因此有必要開展實(shí)驗(yàn)探索滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的穩(wěn)定化回火條件。

3.2 摸索試驗(yàn)結(jié)果

硬度結(jié)果：3組、5組、6組的硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1Cr17Ni2鋼在640℃、650℃穩(wěn)定化回火處理前后材料的硬度變化極小，并且比660℃穩(wěn)定化回火處理時(shí)的硬度稍高，也就是說，鋼材料在640℃/650℃進(jìn)行穩(wěn)定化回火處理時(shí)材料的硬度不會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。7組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降低淬火溫度，增加回火次數(shù)，即使不進(jìn)行穩(wěn)定化回火，也可以得到滿足標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

微觀形貌結(jié)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(jìn)行觀察，結(jié)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(dāng)，兩種熱處理方式后的組織形貌基本一致。由文獻(xiàn)[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(guān)系。因此，選擇在650℃、640℃下進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)，材料的硬度將為穩(wěn)定。

圖1 組織形貌圖

沖擊韌性結(jié)果：5～7組的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用穩(wěn)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(xiàn)了不同回火方式（穩(wěn)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(guān)：經(jīng)過調(diào)質(zhì)（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(wěn)定相，在隨后的回火過程中上述相將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致組織強(qiáng)度、硬度、韌性等多項(xiàng)性能的變化。

拉伸性能結(jié)果：5～7組的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試樣在3種熱處理制度的拉伸數(shù)據(jù)（強(qiáng)度及塑性）均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中第5組（650℃穩(wěn)定化回火處理）的拉伸數(shù)據(jù)更均衡。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從4～6組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，材料的強(qiáng)度并沒有隨穩(wěn)定化溫度的變化呈規(guī)律的變化，反而是在650℃穩(wěn)定化處理后強(qiáng)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(qū)小，并且γ/γ+α相界面幾乎為直線（如圖2所示）[3]，可見化學(xué)成分的波動對熱處理后鋼的組織與力學(xué)性能的影響較大。因此，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是化學(xué)成分的波動造成的。

圖2 1Cr17Ni2不銹鋼相圖

對于穩(wěn)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(fā)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(zhuǎn)變的殘余奧氏體γ'相等，在隨后的穩(wěn)定化處理過程發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致材料硬度等性能發(fā)生較大的變化。這也就解釋了零件承制單位在采用660℃進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)會出現(xiàn)硬度不達(dá)標(biāo)（偏低）的原因。結(jié)合5組和6組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用650℃和640℃進(jìn)行穩(wěn)定化處理時(shí)，材料的硬度與穩(wěn)定化處理前相比變化較小。一般而言，經(jīng)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(guān)，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(xué)元素含量，還與熱處理的溫度有關(guān)。因此，通過改變穩(wěn)定化處理的溫度來穩(wěn)定材料的硬度是可行的。

綜上，對比5～7組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3種熱處理方式都能夠得到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能；但為了得到更為均衡的力學(xué)性能，同時(shí)考慮到熱處理設(shè)備溫度控制精度的影響，推薦在640℃進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

4 結(jié)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(wěn)定化處理的工藝路線加工時(shí)，穩(wěn)定化處理后材料的硬度明顯下降，這是造成零件硬度不達(dá)標(biāo)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(wěn)定化處理時(shí)，材料的硬度相對穩(wěn)定化處理前變化不大，可保證其力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮到熱處理設(shè)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(wěn)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(jìn)行淬火時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，得到較為均衡的力學(xué)性能。

（4）對1Cr17Ni2不銹鋼的熱處理，無論是執(zhí)行多次回火處理還是執(zhí)行穩(wěn)定化處理，其最終結(jié)果都是在力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，降低材料強(qiáng)度，提高材料塑性。