1. 導入
17‑4PHステンレス鋼は、降水量を覚めることとして際立っています (PH) 腐食抵抗を高強度とブレンドする合金.
15–17.5で構成されています % クロム, 3–5 % ニッケル, 3–5 % 銅, および0.15–0.45 % ニオブ, それはフェライトマルテンシト科に属します.
その結果, 製造業者は、航空宇宙などの厳しいセクターでそれを採用しています (ランディングギアピン), 石油化学 (バルブトリム), およびツール (型と死).
この記事では, 完全な熱治療サイクルを掘り下げます, カバーソリューションアニーリング, 調整処理, エージング, および微細構造の進化.
2. 材料の背景 & 冶金ベース
17 - 4phはに属します フェライトマルテンシティック ステンレス鋼のクラス, 体中心の四角形を組み合わせます (BCT) 強度のための細い降水段階のマルテンサイトマトリックス.
化学組成
| 要素 | 範囲 (wt％) | 合金における主要な役割 |
|---|---|---|
| Cr | 15.0–17.5 | 孔食と腐食抵抗のための保護cr₂o₃パッシブフィルムを形成する |
| で | 3.0–5.0 | 保持されたオーステナイトを安定させます, 靭性と延性の向上 |
| 銅 | 3.0–5.0 | 老化中にε‑ cuとして沈殿します, 最大400mpaの降伏強度を高める |
| NB + 面 | 0.15–0.45 | 穀物のサイズを改良し、炭素をNBCとして結び付けます, 炭化クロム層の防止 |
| C | ≤0.07 | マルテンサイトの硬さに寄与しますが、過度の炭化物を避けるために低く抑えられています |
| ん | ≤1.00 | オーステナイトスタビライザーとデオキシジ剤として機能します; 包含形成を防ぐために、過剰は制限されています |
| そして | ≤1.00 | 融解中にデオキシジ剤として機能します; 過剰は脆性のシリシドを形成する可能性があります |
| P | ≤0.04 | 一般的に不純物と考えられています; 腹立を最小限に抑えるために低く保ちます |
| S | ≤0.03 | 硫黄は加工性を向上させることができますが、ホットクラッキングと靭性の低下を防ぐために制限されています |
| 鉄 | バランス | ベースマトリックス要素, フェライト/マルテンサイトバックボーンの形成 |
さらに, Fe – Cr – Ni – Cu相図は、重要な変換温度を強調しています.
上記の溶液アニーリングの後 1,020 ℃, 迅速なクエンチは、オーステナイトをマルテンサイトに変換します, マルテンサイトスタートで (mₛ) 近く 100 °Cと仕上げ (M_F) 約50°C.
その結果, このクエンチは、その後の降水硬化の基礎として機能する完全に飽和したマルテンサイトマトリックスを生成します.
3. 熱処理の基礎
17-4phの熱治療は、2つの連続したステップで構成されています:
- 溶体化焼鈍 (条件A): オーステナイトに銅とニオビウムの沈殿物を溶解し、クエンチ上に超飽和したマルテンサイトを生成します.
- 析出硬化 (エージング): 銅のリッチε沈殿物と移動運動をブロックするNBC粒子を形成する.
熱力学的観点から, 銅は高温で限られた溶解度を展示しますが、下に沈殿します 550 ℃.
運動的に, ε‑ o 480 ℃, 典型的な老化サイクルでは、過成長または粗大化との細かい沈降分布のバランスをとる.
4. 溶体化焼鈍 (条件A) 17-4PHステンレス鋼の
ソリューションアニーリング, と呼ばれます 条件A, 17-4PHステンレス鋼の熱処理プロセスの重要な段階です.
このステップでは、均質で超飽和したマルテンサイトマトリックスを作成することにより、その後の老化のための材料を準備します.
このフェーズの有効性は、鋼の最終的な機械的特性と腐食抵抗を決定します.
ソリューションアニーリングの目的
- 合金要素を溶解します そうであるように, NB, Niは高温でオーステナイトマトリックスに入ります.
- 微細構造を均質化します 以前の処理から分離と残留応力を排除するため.
- マルテンサイト変換を促進します 冷却中に強いものを形成します, 沈殿硬化のために過飽和マルテンサイトベース.
典型的な熱処理パラメーター
| パラメーター | 値範囲 |
|---|---|
| 温度 | 1020–1060°C |
| 時間を浸す | 30-60分 |
| 冷却方法 | 空気冷却またはオイル消光 |
変換温度
| 位相遷移 | 温度 (℃) |
|---|---|
| ac₁ (オーステナイト化の開始) | 〜670 |
| ac₃ (完全なオーステナイト化) | 〜740 |
| mₛ (マルテンサイトの始まり) | 80–140 |
| M_F (マルテンサイトの仕上げ) | 〜32 |
微細構造の結果
溶液処理と消光後, 通常、微細構造には含まれます:
- 低炭素ラスマルテンサイト (一次相): CuおよびNbで過飽和しています
- 残留オーステナイトをトレースします: 未満 5%, ゆっくりと消しすぎない限り
- 時折フェライト: 過熱または不適切に冷却された場合に形成される可能性があります
十分に実行された溶液処理は罰金をもたらします, 炭化クロムの沈殿のない均一なラスマルテンサイト, これは耐食性とその後の降水硬化に不可欠です.
プロパティに対する溶液温度の影響
- <1020 ℃: 合金炭化物の不完全な溶解は、不均一なオーステナイトと低いマルテンサイトの硬度につながります.
- 1040 ℃: 過度の穀物成長なしの完全な炭化物溶解による最適な硬度と構造.
- >1060 ℃: 過度のカーバイド溶解, 保持されたオーステナイトの増加, フェライト層, 粗い粒子は最終的な硬度と性能を低下させます.
研究の洞察: サンプルソリューション処理 1040 °Cは最高の硬度を示しました (〜38 HRC) そして最高の均一性, メタログラフ分析に従って.
5. 析出硬化 (エージング) 17〜4phのステンレス鋼の条件
降水硬化, としても知られています エージング, 17-4ステンレス鋼の最終的な機械的特性を開発する上で最も重要な段階です.
溶液アニーリングの後 (条件A), 老化処理は、微粒子、主に銅が豊富な相を沈殿させ、脱臼の動きを妨害し、強度と硬度を大幅に増加させる.
老化治療の目的
- に ナノスケール間の金属間化合物を沈殿させます (主にε-cu) マルテンサイトマトリックス内.
- に 粒子分散を介して材料を強化します, 収量と引張強度の改善.
- に 機械的および腐食特性を調整します 温度と時間の変化によって.
- 微細構造を安定させ、溶液アニーリングから保持されたオーステナイトを最小限に抑える.
標準の老化条件
老化治療はによって指定されます 「H」条件, それぞれが特定の温度/タイムサイクルを反映しています. 最も一般的に使用される老化条件は次のとおりです:
| 老化状態 | 温度 (℃) | 時間 (h) | 硬度 (HRC) | 抗張力 (MPa) | 降伏強さ (MPa) | 伸長 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H900 | 482 | 1 | 44–47 | 1310–1410 | 1170–1250 | 10–13 |
| H925 | 496 | 4 | 42–45 | 1280–1350 | 1100–1200 | 11–14 |
| H1025 | 552 | 4 | 35–38 | 1070–1170 | 1000–1100 | 13–17 |
| H1150 | 621 | 4 | 28–32 | 930–1000 | 860–930 | 17–21 |
強化のメカニズム
- 銅が豊富なε相沈殿 老化中にフォーム, 通常、サイズは約2〜10 nmです.
- これらの粒子 ピン脱臼, プラスチックの変形を阻害します.
- 沈殿物の形成はによって支配されています 核生成と拡散動態, より高い温度で加速されますが、より粗い粒子になります.
条件間のトレードオフ
適切な老化条件を選択することは、意図したアプリケーションによって異なります:
- H900: 最大強度; 高負荷の航空宇宙またはツールアプリケーションに適しています, しかし、骨折の靭性とSCC耐性が低下しています.
- H1025またはH1150: 強化された靭性と耐食性; 石油化学バルブよりも好まれます, 海洋部品, および圧力システム.
- 二重老化 (H1150-D): 老化を伴います 1150 °C 2回, または、より低い二次ステップで (例えば, H1150M); 寸法の安定性とストレス耐食性をさらに改善するために使用される.
老化の有効性に影響を与える要因
- 以前の溶液処理: 均一なマルテンサイトマトリックスは、沈殿さえ保証します.
- 解決後の冷却速度: 保持されたオーステナイトとCu溶解度に影響します.
- 大気制御: 不活性ガスまたは真空条件は、老化中の酸化を最小限に抑えます.
添加剤の老化17-4ph
一意の微細構造のため (例えば, 保持したΔフェライトまたは残留応力), 午前17-4phには、カスタマイズされた老化サイクルが必要になる場合があります 熱均質化 標準老化の前のステップ.
研究はそれを示しています H900老化だけです 事前の後処理なしでAM部品で完全な降水硬化を達成しない可能性があります.
6. 調整処理 (相転換治療)
近年では, 研究者は予備的なものを導入しました 調整処理, としても知られています 相転換治療, 従来のソリューションの前に、17〜4phのステンレス鋼の老化ステップ.
この余分なステップは、マルテンサイトスタートを故意にシフトします (mₛ) そして終わります (M_F) 変換温度,
より細かいマルテンサイトマトリックスを作成し、機械的および耐食性の両方のパフォーマンスを劇的に強化する.
目的とメカニズム.
調整処理には、より低い臨界変換点のすぐ下の温度で鋼を保持することが含まれます (通常、750〜820°C) 処方された時間 (1–4 h).
このホールド中, 部分的な逆変換は、制御された量の戻ったオーステナイトを生成する.
結果として, その後の消光「ロックイン」マルテンサイトと保持されたオーステナイトのより均一な混合物, ラス幅は平均から縮小します 2 0.5〜1 µmまでµm.
機械的な利点.
エンジニアが同じソリューションを適用するとき (1,040 °C× 1 h) および標準のH900エージング (482 °C× 1 h) その後, 彼らは観察します:
- 2倍以上の衝撃靭性, 〜15 jから超えて増加します 35 j –40°Cで.
- 降伏強度の向上 50〜100 MPa, わずかなだけで (5–10 %) 硬さを落とします.
これらの改善はより細かいものに由来します, 亀裂の開始を鈍らせて変形をより均等に広めるための介入されたマルテンサイトネットワーク.
耐性の改善.
彼は若い年齢でeUartです。, 17-4PHサンプルは、直接老化または調整のいずれかを受けました + エージング, その後、人工海水に浸します.
偏光曲線やインピーダンス分光法など、電気化学検査は、調整処理された標本が示すことを明らかにしました:
- あ 0.2 vノブラー腐食の可能性 (e_corr) 直接型のカウンターパートよりも,
- あ 30 % 年間腐食率が低い, そして
- ピッティングポテンシャルのシフト (e_pit) による +0.15 V, より強いピッティング耐性を示します.
インストルメンタル分析では、この動作は粒界でのクロム枯渇ゾーンの排除に起因しています.
調整処理サンプル, クロムは均一に分布したままです, 塩化物攻撃に対するパッシブフィルムの強化.
時間と温度の最適化.
また、研究者は、調整パラメーターがさまざまな微細構造にどのように影響するかを調査しました:
- 長く保持されます (まで 4 h) さらにマルテンサイトのラスをさらに洗練しますが、それ以上のタフネスのプラトー 3 h.
- より高い調整温度 (まで 820 ℃) 5〜8で究極の引張強度を高めます % しかし、伸長を2〜4減らします %.
- 条件後の老化 高温で (例えば, H1025, 525 ℃) マトリックスを柔らかくし、腐食抵抗を犠牲にすることなく延性を回復します.
7. 微細構造の進化
老化中, 微細構造は大幅に変換されます:
- ε-沈殿した: 球状, 5直径20 nm; それらは最大で降伏強度を高めます 400 MPa.
- ni₃theおよびcr₇c₃炭化物: 穀物の境界にローカライズされています, これらの粒子は微細構造を安定させ、粗大化に抵抗します.
- オーステナイトを元に戻しました: 調整治療は〜5を促進します % 保持されたオーステナイト, これにより、骨折の靭性が改善されます 15 %.
TEM分析では、H900でε‑ CUの均等な分散を確認します, 一方、H1150サンプルは部分的な粗大化を示します, 硬度が低い値に合わせます.
8. 機械的性質 & 17-4phのステンレス鋼の性能
17-4phのステンレス鋼の機械的性能は、その最も説得力のある属性の1つです.
高強度のユニークな組み合わせ, 良好な靭性, そして、満足のいく腐食抵抗は、制御された熱処理によって達成されます,
航空宇宙などの要求の厳しいセクターにおいてそれを好む材料にします, 石油化学, と原子力.
老化条件全体の強度と硬度
17-4phの機械的強度は、老化状態によって大きく異なります, 通常、H900として指定されます, H1025, H1075, およびH1150.
これらは華氏程度の老化温度を指し、タイプに影響を与えます, サイズ, 沈殿物の強化の分布 - 主にε-Cu粒子.
| 老化状態 | 降伏強さ (MPa) | 極限引張強さ (MPa) | 伸長 (%) | 硬度 (HRC) |
|---|---|---|---|---|
| H900 | 1170–1250 | 1310–1400 | 8–10 | 42–46 |
| H1025 | 1030–1100 | 1170–1250 | 10–12 | 35–39 |
| H1075 | 960–1020 | 1100–1180 | 11–13 | 32–36 |
| H1150 | 860–930 | 1000–1080 | 13–17 | 28–32 |
骨折の靭性と延性
骨折の靭性は、動的または衝撃負荷にさらされる構造成分の重要なメトリックです. 17-4PHは、老化状態に応じてさまざまな靭性レベルを示します.
- H900: 〜60–70mpa√m
- H1150: 〜90–110mpa√m
耐疲労性
航空機構造やタービンコンポーネントなどの環状負荷アプリケーションで, 疲労抵抗が不可欠です. 17-4pHは、疲労の優れた性能を示しています:
- プラスチックの変形を減らす高降伏強度.
- 亀裂開始に抵抗する細かい沈降構造.
- 堅牢な基礎を提供するマルテンサイトマトリックス.
疲労制限 (H900):
回転曲げ疲労における〜500 MPa (空気環境)
クリープおよび応力破裂挙動
ただし、通常、高温クリープ抵抗には使用されていません, 17-4pHは断続的な曝露に耐えることができます 315 ℃ (600 °F).
これを超えて, 沈殿物の粗雑さと過剰老化により、強度は劣化し始めます.
- クリープ強度: 中程度 < 315 ℃
- ストレス破裂寿命: 老化治療と動作温度に敏感です
摩耗と表面の硬度
17-4pHは、高硬度と安定した微細構造のために、H900状態で良好な耐摩耗性を示します.
表面摩耗またはスライドコンタクトを含むアプリケーションで (例えば, バルブシート, シャフト), ニトリッドやPVDコーティングなどの追加の表面硬化処理を適用することができます.
9. 耐食性 & 環境への配慮
熱処理後, 部品が受ける 酸性の不動態化 (例えば, 20 % h₂so₄ + クロ₃) 安定したcr₂o₃層を形成する. その結果:
- ピッティング抵抗: H1150サンプルはピットティングに抵抗します 0.5 m naclまで 25 ℃; H900は抵抗します 0.4 M.
- SCC感受性: どちらの条件が正しくパッシブ化されたときに酸っぱいサービスのためのNACETM0177の基準を満たしています.
さらに, 最終的な超音波洗浄サイクルは、表面包有物を減らします 90 %, 攻撃的なメディアでの長期的な耐久性をさらに高めます.
10. 17〜4phのステンレス鋼の産業用途
航空宇宙産業
- 着陸装置コンポーネント
- ファスナーとフィッティング
- エンジンブラケットとシャフト
- アクチュエータハウジング
石油化学およびオフショアアプリケーション
- ポンプシャフト
- バルブの茎と座席
- 圧力容器とフランジ
- カップリングとブッシング
発電
- タービンブレードとディスク
- コントロールロッドメカニズム
- ファスナーとサポート構造
医療および歯科装置
- 手術器具
- 整形外科ツール
- 歯科インプラントとハンドピース
食品加工と化学機器
- コンベアコンポーネント
- 熱交換器
- 高強度のカビと死
- ウォッシュダウン耐性ベアリング
積層造形 (午前) および3D印刷
- 複雑な航空宇宙括弧
- カスタマイズされたツールインサート
- コンフォーマル冷却型
11. 結論
17-4ph 熱処理 プロセスは、ソリューションを操作することにより、一連のカスタマイズされたプロパティを提供します, 調整, および老化パラメーター.
±5°C炉制御など、ベストプラクティスを採用することにより, 正確なタイミング, 適切な不動態化 - エンジニアは、強度の必要な組み合わせを確実に実現します, 靭性, 耐食性.
