17Processo de tratamento térmico de aço inoxidável de aço inoxidável

1. Introdução

17-4ph aço inoxidável se destaca como um alojamento de precipitação (PH) liga que combina a resistência à corrosão com alta resistência.

Composto por 15–17.5 % cromo, 3–5 % níquel, 3–5 % cobre, e 0,15-0,45 % nióbio, Pertence à família ferrítica -martensita.

Consequentemente, Os fabricantes o empregam em setores exigentes, como aeroespacial (pinos de gear de pouso), petroquímico (Aparo da válvula), e ferramentas (Moldes e morre).

Neste artigo, Vamos nos aprofundar no ciclo completo de tratamento térmico, cobrindo o recozimento da solução, tratamento de ajuste, envelhecimento, e evolução microestrutural.

2. Antecedentes do material & Base metalúrgica

17- 4ph pertence ao Ferrítico -martensítico classe de aços inoxidáveis, Combinando um tetragonal central (TBC) matriz martensítica com finas finas de precipitação para força.

Composição Química

Elemento	Faixa (WT%)	Papel principal na liga
Cr	15.0–17.5	Forma um filme passivo protetor Cr₂o₃ para resistência à corrosão e corrosão
Em	3.0–5.0	Estabiliza a austenita retida, Melhorando a resistência e a ductilidade
Cu	3.0–5.0	Precipita como ε -cu durante o envelhecimento, aumentando a força de escoamento em até ~ 400mpa
Nb + Virado	0.15–0.45	Refina o tamanho do grão e amarra carbono como NBC, Prevenção da formação de carboneto de cromo
C	≤0,07	Contribui para a dureza martensítica, mas manteve -se baixo para evitar carbonetos excessivos
Mn	≤1,00	Atua como um estabilizador de austenita e desoxidador; O excesso é limitado para impedir a formação de inclusão
E	≤1,00	Serve como um desoxidador durante o derretimento; O excesso pode formar silicidas quebradiços
P	≤0,04	Geralmente considerado uma impureza; mantido baixo para minimizar a fragilização
S	≤0,03	O enxofre pode melhorar a maquinabilidade, mas é limitado para evitar o racho quente e redução de tenacidade
Fé	Equilíbrio	Elemento da matriz base, formando a espinha dorsal ferrítica/martensítica

Além disso, O diagrama de fase Fe -Cr -Ni -Cu destaca as principais temperaturas de transformação.

Após o recozimento da solução acima 1,020 °C, Um Rapid Tchench transforma a austenita em martensita, com um começo martensítico (Mₛ) aproximar 100 ° C e acabamento (M_f) em torno de –50 ° C..

Consequentemente, Esse apagão produz uma matriz martensítica totalmente supersaturada que serve como base para o endurecimento subsequente da precipitação.

3. Fundamentos do tratamento térmico

Tratamento térmico para 17 a 4ph compreende duas etapas seqüenciais:

1. Recozimento de Solução (Condição A): Dissolve o cobre e o nióbio precipita na austenita e produz uma martensita supersaturada no apagamento.
2. Endurecimento por precipitação (Envelhecimento): Formulário ε rico em cobre precipita e partículas NBC que bloqueiam o movimento de luxação.

Do ponto de vista termodinâmico, O cobre exibe solubilidade limitada em alta temperatura, mas precipita abaixo 550 °C.

Cineticamente, ε -o 480 °C, com os ciclos típicos de envelhecimento equilibrando a distribuição de precipitados finos contra o crescimento excessivo ou o grosso.

4. Recozimento de Solução (Condição A) de 17- 4PH de aço inoxidável

Recozimento da solução, referido como Condição A, é um estágio crítico no processo de tratamento térmico de aço inoxidável de 17 a 4ph.

Esta etapa prepara o material para o envelhecimento subsequente, criando uma matriz martensítica homogênea e supersaturada.

A eficácia desta fase determina as propriedades mecânicas finais e a resistência à corrosão do aço.

Propósito de recozimento da solução

• Dissolver elementos de liga suh como em, Nb, e Ni na matriz austenítica em alta temperatura.
• Homogeneize a microestrutura para eliminar a segregação e tensões residuais do processamento anterior.
• Facilitar a transformação martensítica durante o resfriamento para formar um forte, Base martensítica supersaturada para endurecer a precipitação.

Parâmetros típicos de tratamento térmico

Parâmetro	Intervalo de valor
Temperatura	1020–1060 ° C.
Tempo de imersão	30–60 minutos
Método de resfriamento	Resfriamento de ar ou extinção de óleo

Temperaturas de transformação

Transição de fase	Temperatura (°C)
AC₁ (Início da austenitização)	~ 670
AC₃ (Austenitização completa)	~ 740
Mₛ (Início da martensita)	80–140
M_f (Acabamento da martensita)	~ 32

Resultado microestrutural

Após o tratamento da solução e a extinção, A microestrutura normalmente inclui:

• Martensita de ripada de baixo carbono (fase primária): Supersaturado com Cu e NB
• Rastrear austenita residual: Menor que 5%, a menos que seja extinto muito lentamente
• Ferrite ocasional: Pode se formar se superaquecido ou resfriado incorretamente

Um tratamento de solução bem executado produz uma multa, martensita uniforme de ripada sem precipitação de carboneto de cromo, o que é essencial para a resistência à corrosão e subsequente endurecimento da precipitação.

Efeitos da temperatura da solução nas propriedades

• <1020 °C: A dissolução incompleta dos carbonetos de liga leva a austenita irregular e baixa dureza de martensita.
• 1040 °C: Dureza e estrutura ideais devido à dissolução total do carboneto sem crescimento excessivo de grãos.
• >1060 °C: Dissolução excessiva de carboneto, aumento da austenita retida, Formação de ferrita, e grãos mais grossos reduzem a dureza e o desempenho final.

Estudo Insight: Solução de amostras tratadas em 1040 ° C mostrou a dureza mais alta (~ 38 HRC) e melhor uniformidade, Conforme análise metalográfica.

5. Endurecimento por precipitação (Envelhecimento) Condições de aço inoxidável de 17 a 4ph

Endurecimento da precipitação, também conhecido como envelhecimento, é a fase mais crítica no desenvolvimento das propriedades mecânicas finais de 17 a 4 aço inoxidável.

Após o recozimento da solução (Condição A), Tratamentos de envelhecimento precipitam partículas finas-principalmente as fases ricas em cobre-que obstruem o movimento da luxação e aumentam significativamente a força e a dureza.

Objetivo

• Para compostos intermetálicos precipitados em nanoescala (Principalmente ε-Cu) dentro da matriz martensítica.
• Para fortalecer o material por dispersão de partículas, Melhorando o rendimento e a resistência à tração.
• Para Propriedades mecânicas e de corrosão alfaiate por temperatura e tempo variados.
• Para estabilizar a microestrutura e minimizar a austenita retida da solução de recozimento da solução.

Condições de envelhecimento padrão

Os tratamentos de envelhecimento são designados por Condições “H”, cada um refletindo um ciclo de temperatura/tempo específico. As condições de envelhecimento mais usadas são:

Mecanismos de fortalecimento

• Precipita precipita a fase ε rica em cobre forma durante o envelhecimento, normalmente ~ 2-10 nm de tamanho.
• Essas partículas Deslocações de pinos, inibindo a deformação plástica.
• A formação precipitada é governada por cinética de nucleação e difusão, acelerado em temperaturas mais altas, mas resultando em partículas mais grossas.

Trade-offs entre condições

Escolher a condição de envelhecimento certa depende do aplicativo pretendido:

• H900: Força máxima; Adequado para aplicações aeroespaciais ou de ferramentas de alta carga, mas reduziu a resistência à fratura e a resistência ao SCC.
• H1025 ou H1150: Tenacidade aprimorada e resistência à corrosão; preferido para válvulas petroquímicas, peças marinhas, e sistemas de pressão.
• Duplo envelhecimento (H1150-D): Envolve o envelhecimento 1150 ° C duas vezes, ou com uma etapa secundária inferior (por exemplo, H1150M); usado para melhorar ainda mais a estabilidade dimensional e a resistência à corrosão do estresse.

Fatores que influenciam a eficácia do envelhecimento

• Tratamento de solução anterior: A matriz martensítica uniforme garante a precipitação uniforme.
• Taxa de refrigeração pós-solução: Afeta a solubilidade de austenita e Cu retida.
• Controle da atmosfera: As condições de gás ou vácuo inertes minimizam a oxidação durante o envelhecimento.

Envelhecimento de 17-4ph fabricados em aditivos

Devido a microestruturas únicas (por exemplo, Δ-ferrito retido ou tensões residuais), Am 17 a 4ph pode exigir ciclos de envelhecimento personalizados ou Homogenização térmica Passos antes do envelhecimento padrão.

Estudos mostram isso H900 Envelhecimento sozinho pode não alcançar o endurecimento total da precipitação em partes AM sem pós-processamento prévio.

6. Tratamento de ajuste (Tratamento da mudança de fase)

Nos últimos anos, Os pesquisadores introduziram um preliminar tratamento de ajuste, também conhecido como Tratamento da mudança de fase, Antes das etapas convencionais de solução e envelhecimento da solução para aço inoxidável de 17 a 4ph.

Esta etapa extra muda deliberadamente o começo martensítico (Mₛ) e terminar (M_f) temperaturas de transformação,

Criando uma matriz martensítica mais fina e aprimorando drasticamente o desempenho mecânico e de corrosão -resistência.

Propósito e mecanismo.

O tratamento de ajuste envolve manter o aço a uma temperatura logo abaixo do ponto de transformação crítico mais baixo (normalmente 750-820 ° C.) por um tempo prescrito (1–4 h).

Durante esse porão, A transformação reversa parcial produz uma quantidade controlada de austenita revertida.

Como resultado, A extinção subsequente “trava” uma mistura mais uniforme de martensita e austenita retida, com larguras de ripas diminuindo de uma média de 2 µm para 0,5-1 µm.

Benefícios mecânicos.

Quando os engenheiros aplicam a mesma solução - anunciando (1,040 ° C × 1 h) e envelhecimento padrão H900 (482 ° C × 1 h) depois, Eles observam:

• Mais de 2 × maior tenacidade de impacto, aumentando de ~ 15 J para o mais 35 J a –40 ° C.
• Ganhos de força de escoamento de 50-100 MPa, Com apenas um marginal (5–10 %) cair na dureza.

Essas melhorias decorrem do mais refinador, Rede martensítica interligada que embara a iniciação da rachadura e espalha a deformação de maneira mais uniforme.

Melhorias de resistência à corrosão.

Ele é euart em tenra idade., 17Amostras de 4ph foram submetidas a envelhecimento direto ou ajuste + envelhecimento, então imerso em água do mar artificial.

Testes eletroquímicos - como curvas de polarização e espectroscopia de impedância - revelou que as amostras tratadas com ajuste exibidas exibidas:

• UM 0.2 V potencial de corrosão nobres (E_corr) do que as contrapartes de idade direta,
• UM 30 % menor taxa anual de corrosão, e
• Uma mudança no potencial de pitting (E_pit) por +0.15 V, indicando resistência mais forte.

A análise instrumental atribuiu esse comportamento à eliminação de zonas depletas de cromo nos limites de grãos.

Em amostras tratadas com ajuste, O cromo permanece uniformemente distribuído, Fortificando o filme passivo contra o ataque de cloreto.

Otimização de tempo e temperatura.

Os pesquisadores também investigaram como os parâmetros de ajuste variados afetam a microestrutura:

• Por mais tempo (até 4 h) refinar ainda mais ripas martensíticas, mas platô em resistência além 3 h.
• Temperaturas de ajuste mais altas (até 820 °C) aumentar a força de tração final em 5-8 % mas diminuir o alongamento em 2–4 %.
• Envelhecimento pós -condicionamento a temperaturas mais altas (por exemplo, H1025, 525 °C) suaviza a matriz e restaura a ductilidade sem sacrificar a resistência à corrosão.

7. Evolução microestrutural

Durante o envelhecimento, A microestrutura se transforma significativamente:

• ε -com precipitado: Esférico, 5–20 nm de diâmetro; Eles aumentam a força de escoamento até 400 MPa.
• Carbonetos de ni e cr₇c₃: Localizado nos limites dos grãos, Essas partículas estabilizam a microestrutura e resistem ao grosso.
• Austenita revertida: O tratamento de ajuste promove ~ 5 % Austenita retida, o que melhora a resistência à fratura por 15 %.

As análises de TEM confirmam uma dispersão uniforme de ε -Cu em H900, Enquanto as amostras H1150 exibem grossas parciais, alinhando com seus valores mais baixos de dureza.

8. Propriedades Mecânicas & Desempenho de aço inoxidável de 17-4PH

O desempenho mecânico do aço inoxidável de 17 a 4ph é um dos seus atributos mais atraentes.

Sua combinação única de alta resistência, boa resistência, e resistência satisfatória à corrosão - atendida através de tratamento térmico controlado,

o torna um material preferido em setores exigentes, como aeroespacial, petroquímico, e energia nuclear.

Força e dureza entre as condições de envelhecimento

A força mecânica de 17-4ph varia significativamente, dependendo da condição de envelhecimento, normalmente designado como H900, H1025, H1075, e H1150.

Estes se referem à temperatura de envelhecimento em graus Fahrenheit e afeta o tipo, tamanho, e distribuição do fortalecimento dos precipitados-principalmente partículas de ε-Cu.

Resistência à fratura e ductilidade

A resistência à fratura é uma métrica crítica para componentes estruturais expostos a cargas dinâmicas ou de impacto. 17-4O pH exibe níveis variados de tenacidade, dependendo da condição de envelhecimento.

• H900: ~ 60–70 MPa√m
• H1150: ~ 90–110 mpa√m

Resistência à fadiga

Em aplicações de carregamento cíclico, como estruturas de aeronaves ou componentes da turbina, A resistência à fadiga é essencial. 17-4PH demonstra excelente desempenho de fadiga devido a:

• Alta resistência de escoamento reduzindo a deformação plástica.
• Estrutura de precipitado fino que resiste à iniciação da rachadura.
• Matriz martensítica que fornece uma base robusta.

Limite de fadiga (H900):
~ 500 MPa na fadiga de flexão rotativa (ambiente aéreo)

Comportamento de ruptura de fluência e estresse

Embora não seja normalmente usado para resistência de fluência de alta temperatura, 17-4O pH pode suportar a exposição intermitente até 315 °C (600 °F).

Além disso, a força começa a degradar devido ao grosso de precipitados e ao envelhecimento.

• Força de fluência: moderado em < 315 °C
• Ruptura do estresse Vida: sensível ao tratamento de envelhecimento e temperatura operacional

Desgaste e dureza da superfície

17-4O pH mostra boa resistência ao desgaste na condição H900 devido à alta dureza e microestrutura estável.

Em aplicações envolvendo desgaste da superfície ou contato deslizante (por exemplo, sedes de válvula, eixos), Tratamentos adicionais de endurecimento da superfície, como revestimentos de nitragem ou PVD, podem ser aplicados.

9. Resistência à corrosão & Considerações Ambientais

Após tratamento térmico, peças passadas passivação ácida (por exemplo, 20 % H₂so₄ + Cro₃) Para formar uma camada estável Cr₂o₃. Consequentemente:

• Resistência ao pitting: As amostras H1150 resistem a colocar 0.5 M NACL até 25 °C; H900 resiste a 0.4 M.
• Susceptibilidade do SCC: Ambas as condições atendem aos padrões NACE TM0177 para serviço azedo quando passivado corretamente.

Além disso, Um ciclo de limpeza ultrassônico final reduz as inclusões da superfície por 90 %, Melhorar ainda mais a durabilidade a longo prazo em mídia agressiva.

10. Aplicações industriais de aço inoxidável de 17 a 4ph

Indústria aeroespacial

• Componentes do trem de pouso
• Prendedores e acessórios
• Suportes e eixos do motor
• Atuador de alojamentos

Aplicações petroquímicas e offshore

• Eixos da bomba
• Hastes e assentos da válvula
• Vasos de pressão e flanges
• Acoplamentos e buchas

Geração de energia

• Blades e discos de turbinas
• Mecanismos de haste de controle
• Prendedores e estruturas de suporte

Dispositivos médicos e dentários

• Instrumentos cirúrgicos
• Ferramentas ortopédicas
• Implantes dentários e peças de mão

Processamento de alimentos e equipamentos químicos

• Componentes transportadores
• Trocadores de calor
• Moldes e matrizes de alta resistência
• Rolamentos resistentes a lavagem

Fabricação Aditiva (SOU) e impressão 3D

• Suportes aeroespaciais complexos
• Inserções de ferramentas personalizadas
• Moldes de resfriamento conforme

11. Conclusão

Os 17-4PH tratamento térmico O processo oferece um espectro de propriedades personalizadas, manipulando, ajuste, e parâmetros de envelhecimento.

Ao adotar as melhores práticas - como ± 5 ° C Controle do forno, Tempo preciso, e passivação adequada - Engenheiros alcançam de forma confiável combinações necessárias de força, resistência, e resistência à corrosão.

ESSE é a escolha perfeita para suas necessidades de fabricação se você precisar de alta qualidade 17-4ph aço inoxidável peças.

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