1. 介绍
17−4ph不锈钢以降水状态脱颖而出 (ph) 将耐腐蚀性与高强度混合的合金.
由15–17.5组成 % 铬, 3–5 % 镍, 3–5 % 铜, 和0.15–0.45 % 铌, 它属于铁素体 - 玛蒂尼家族.
最后, 制造商将其雇用在苛刻的航空航天等领域 (着陆式销钉), 石化 (阀装饰), 和工具 (模具和模具).
在本文中, 我们将深入研究完整的热处理周期, 覆盖溶液退火, 调整处理, 老化, 和微观结构进化.
2. 材料背景 & 冶金基础
17 - 4PH属于 铁素体 - 遗嘱 一类不锈钢, 结合身体的四方 (BCT) 具有良好降水阶段的马氏体基质.
化学组成
| 元素 | 范围 (wt％) | 合金中的主要角色 |
|---|---|---|
| Cr | 15.0–17.5 | 形成一种保护性CR₂O₃无源膜，用于耐蚀和腐蚀性 |
| 在 | 3.0–5.0 | 稳定保留的奥氏体, 改善韧性和延性 |
| 铜 | 3.0–5.0 | 在衰老期间沉淀为ε -cu, 提高屈服强度高达〜400MPA |
| NB + 面对 | 0.15–0.45 | 完善晶粒尺寸并将碳绑定为NBC, 防止碳化物铬形成 |
| c | ≤0.07 | 有助于马氏体硬度，但保持较低以避免过多的碳化物 |
| Mn | ≤1.00 | 充当奥氏体稳定剂和脱氧剂; 多余的限制以防止纳入形成 |
| 和 | ≤1.00 | 在熔化过程中用作脱氧剂; 多余的会形成脆性硅化物 |
| p | ≤0.04 | 通常认为是杂质; 低到最小 |
| s | ≤0.03 | 硫可以提高可加工性，但仅限于防止热裂纹和降低韧性 |
| 铁 | 平衡 | 基本矩阵元素, 形成铁素体/马氏体骨干 |
此外, Fe – Cr – Ni – Cu相图突出了钥匙转换温度.
溶液退火之后 1,020 °C, 快速淬火将奥斯丁岩转化为马氏体, 有一个马氏体的开始 (mₛ) 靠近 100 °C并完成 (M_F) 大约–50°C.
最后, 这种淬火产生了完全过饱和的马氏体矩阵，该基质是随后的降水硬化的基础.
3. 热处理基本面
17-4ph的热处理包括两个顺序步骤:
- 解决方案退火 (条件): 溶解在奥氏体中的铜和尼物水沉淀，并在淬火时产生过饱和的马氏体.
- 降水硬化 (老化): 形成富含铜的ε沉淀和NBC颗粒，以阻止位错运动.
从热力学的角度来看, 铜在高温下具有有限的溶解度，但在下面沉淀 550 °C.
动力学, ε‑ o 480 °C, 典型的老化循环平衡微沉淀分布与过度生长或变形.
4. 解决方案退火 (条件) 17-4ph不锈钢
解决方案退火, 称为 条件, 是17-4ph不锈钢的热处理过程中的关键阶段.
此步骤通过创建同质和过饱和的Martensitic基质来准备材料以进行随后的衰老.
该阶段的有效性决定了钢的最终机械性能和耐腐蚀性.
溶液退火的目的
- 溶解合金元素 suh和, NB, 在高温下进入奥氏体基质.
- 匀浆微结构 消除先前处理的隔离和残留应力.
- 促进马氏体转变 在冷却过程中形成强壮, 过饱和的马氏体基础以降水硬化.
典型的热处理参数
| 范围 | 价值范围 |
|---|---|
| 温度 | 1020–1060°C |
| 浸泡时间 | 30–60分钟 |
| 冷却方法 | 空气冷却或淬火 |
转化温度
| 相变 | 温度 (°C) |
|---|---|
| ac₁ (启动奥氏体化) | 〜670 |
| ac₃ (完成奥氏体化) | 〜740 |
| mₛ (马氏体的开始) | 80–140 |
| M_F (马氏体的完成) | 〜32 |
微结构结果
解决方案治疗和淬火, 微观结构通常包括:
- 低碳板条马氏体 (一级阶段): 用Cu和NB过饱和
- 痕量残留的奥氏体: 少于 5%, 除非淬火太慢
- 偶尔的铁氧体: 如果过热或冷却不当，可能会形成
执行良好的溶液治疗可获得罚款, 均匀的板条马氏体，没有碳化物降水, 这对于耐腐蚀性和随后的沉淀硬化至关重要.
溶液温度对性能的影响
- <1020 °C: 合金碳化物的不完全溶解导致奥斯丁岩和低马氏体硬度.
- 1040 °C: 由于完全碳化物溶解而导致的最佳硬度和结构，而没有过多的谷物生长.
- >1060 °C: 碳化物溶解过多, 保留的奥斯丁岩增加, 铁氧体的形成, 更粗糙的谷物会降低最终硬度和性能.
研究见解: 样品解决方案处理 1040 °C显示出最高的硬度 (〜38 hrc) 和最佳统一性, 按照截图分析.
5. 降水硬化 (老化) 17-4ph不锈钢的条件
降水硬化, 也称为 老化, 是开发17-4不锈钢最终机械性能的最关键阶段.
溶液退火后 (条件), 衰老处理会导致细颗粒（主要富含铜的阶段）阻塞脱位运动，并显着提高强度和硬度.
老化治疗的目的
- 到 沉淀纳米级金属间化合物 (主要是ε-cu) 在马氏体矩阵中.
- 到 通过颗粒分散增强材料, 提高产量和拉伸强度.
- 到 裁缝机械和腐蚀特性 通过变化的温度和时间.
- 稳定微观结构并最大程度地减少从溶液退火中保留的奥氏体.
标准衰老条件
衰老治疗是由 “ H”条件, 每个反映特定温度/时间周期. 最常用的衰老条件是:
| 衰老状况 | 温度 (°C) | 时间 (h) | 硬度 (HRC) | 抗拉强度 (MPA) | 产生强度 (MPA) | 伸长 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
加强机制
- 富含铜的ε相沉淀 衰老期间的形式, 通常大小约2–10 nm.
- 这些颗粒 引脚位错, 抑制塑性变形.
- 沉淀形成由 成核和扩散动力学, 在较高的温度下加速，但导致更粗糙的颗粒.
条件之间的权衡
选择正确的老化状况取决于预期的应用:
- H900: 最大强度; 适用于高负载航空或工具应用, 但减少了断裂韧性和SCC抗性.
- H1025或H1150: 增强的韧性和耐腐蚀性; 首选石化阀, 海洋零件, 和压力系统.
- 双重老化 (H1150-D): 涉及衰老 1150 °C两次, 或较低的次要步骤 (例如。, H1150m); 用于进一步改善尺寸稳定性和应力腐蚀性.
影响衰老有效性的因素
- 先前的解决方案处理: 统一的马塞西氏菌基质可确保降水.
- 冷却率后解决方案: 影响保留的奥氏体和铜溶解度.
- 气氛控制: 惰性气体或真空状况最大程度地减少衰老期间的氧化.
增材制造的17-4ph的老化
由于独特的微观结构 (例如。, 保留δ-有限或残留应力), AM 17-4ph可能需要定制的老化周期或 热均质化 标准老化之前的步骤.
研究表明 仅H900老化 可能无法在没有事先进行后处理的情况下实现AM零件的全部沉淀硬化.
6. 调整处理 (相变处理)
最近几年, 研究人员介绍了初步 调整处理, 也称为 相变处理, 在传统的溶解溶液和老化步骤之前17-4ph不锈钢.
这一额外的步骤故意改变了马氏体的开始 (mₛ) 并完成 (M_F) 转化温度,
创建一个更精细的马氏体矩阵，并大大增强机械和腐蚀性能.
目的和机制.
调整处理涉及将钢保持在其较低临界转换点以下的温度下 (通常为750–820°C) 在规定的时间 (1–4 h).
在此期间, 部分反向转换产生了受控量的降落的奥氏体.
因此, 随后将“锁定”的“锁定”更均匀的马氏体混合物，并保留了奥氏体, 板条宽度从平均值开始缩小 2 µm降至0.5–1 µm.
机械益处.
当工程师使用相同的解决方案时 (1,040 °C× 1 h) 和标准H900老化 (482 °C× 1 h) 之后, 他们观察到:
- 超过2×较高的冲击力韧性, 从〜15 j增加到超过 35 J处–40°C.
- 产生强度增长 50-100 MPa, 只有一个边缘 (5–10 %) 硬度下降.
这些改进源于更好的, 互锁的马氏体网络，钝化裂纹启动并更均匀地扩散变形.
耐腐蚀的改进.
他是一名年轻的s or者的个人研究。, 17−4PH样品进行了直接老化或调整 + 老化, 然后沉浸在人造海水中.
电化学测试（例如极化曲线和阻抗光谱）都认为，调整所处理的标本表现出:
- 一个 0.2 v高贵的腐蚀潜力 (e_corr) 比直接同龄人,
- 一个 30 % 较低的年度腐蚀速率, 和
- 矿潜力的转移 (e_pit) 经过 +0.15 v, 表明更强的抗性抗性.
工具分析将这种行为归因于消除晶体边界处铬的区域.
在调整处理的样品中, 铬保持均匀分布, 强化被动膜抵抗氯化物攻击.
时间和温度的优化.
研究人员还研究了不同调整参数如何影响微观结构:
- 更长的持有 (到 4 h) 进一步完善马氏体的板条，但韧性超越 3 h.
- 更高的调节温度 (到 820 °C) 将最终拉伸强度提高5-8 % 但是将伸长率减少2-4 %.
- 调节后衰老 在较高的温度下 (例如。, H1025, 525 °C) 软化矩阵并恢复延展性而无需牺牲耐腐蚀性.
7. 微观结构进化
在衰老期间, 微观结构显着转化:
- ε-与沉淀物: 球形, 5–20 nm直径; 它们通过最多提高屈服强度 400 MPA.
- ni₃和cr₇c₃碳化物: 位于晶界, 这些颗粒稳定微观结构并抵抗粗化.
- 恢复奥斯丁矿: 调整治疗促进〜5 % 保留奥斯丁岩, 通过 15 %.
TEM分析证实了H900中ε -cu的均匀分散, 而H1150样品表现出部分粗化, 与较低的硬度值保持一致.
8. 机械性能 & 17-4ph不锈钢的性能
17-4ph不锈钢的机械性能是其最引人注目的属性之一.
其高强度的独特组合, 良好的韧性, 和令人满意的耐腐蚀性 - 通过受控的热处理可获得,
使其成为苛刻领域的首选材料，例如航空航天, 石化, 和核电.
在衰老条件下的力量和硬度
17-4ph的机械强度取决于衰老状况明显变化, 通常被指定为H900, H1025, H1075, 和H1150.
这些是指华氏度的衰老温度，并影响类型, 尺寸, 和加强沉淀的分布 - 主要是ε-cu颗粒.
| 衰老状况 | 产生强度 (MPA) | 最终的拉伸强度 (MPA) | 伸长 (%) | 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 |
断裂韧性和延性
断裂韧性是暴露于动态或冲击负荷的结构成分的关键指标. 17-4pH表现出不同的韧性水平，具体取决于衰老状况.
- H900: 〜60–70mpa√m
- H1150: 〜90–110mpa√m
疲劳性抗性
在循环加载应用中，例如飞机结构或涡轮组件, 抗疲劳是必不可少的. 17-4pH表现出出色的疲劳性能:
- 高产强度降低塑性变形.
- 可抵抗裂纹开始的细节沉淀结构.
- Martensitic Matrix提供了强大的基础.
疲劳极限 (H900):
〜500 MPa旋转弯曲疲劳 (空气环境)
蠕变和压力破裂行为
虽然通常不用于高温蠕变阻力, 17-4pH可以承受间歇性的暴露 315 °C (600 °f).
除此之外, 由于沉淀物和过度衰老，强度开始降解.
- 蠕变力量: 中度 < 315 °C
- 压力破裂的生活: 对老化治疗和工作温度敏感
磨损和表面硬度
17-4由于高硬度和稳定的微观结构，pH在H900状态下显示出良好的耐磨性.
在涉及表面磨损或滑动接触的应用中 (例如。, 阀座, 轴), 可以应用其他表面硬化处理，例如硝化或PVD涂层.
9. 耐腐蚀性 & 环境考虑
热处理后, 零件发生 酸性钝化 (例如。, 20 % h₂so₄ + cro₃) 形成稳定的cr₂o₃层. 最后:
- 点抗性: H1150样品抗位于 0.5 m nacl 25 °C; H900抗拒 0.4 m.
- SCC敏感性: 正确钝化后，这两种情况都符合NACE TM0177酸服务标准.
而且, 最终的超声清洁周期可通过 90 %, 进一步增强了激进媒体的长期耐用性.
10. 17-4ph不锈钢的工业应用
航空业
- 起落架组件
- 紧固件和配件
- 发动机支架和轴
- 执行器外壳
石化和离岸应用
- 泵轴
- 阀杆和座椅
- 压力容器和法兰
- 耦合和衬套
发电
- 涡轮刀片和磁盘
- 控制杆机制
- 紧固件和支撑结构
医疗和牙科设备
- 手术器械
- 骨科工具
- 牙科和手机
食品加工和化学设备
- 传送带组件
- 热交换器
- 高强度模具和模具
- 抗洗的轴承
增材制造 (是) 和3D打印
- 复杂的航空托架
- 定制的工具插件
- 共形冷却模具
11. 结论
17-4ph 热处理 过程通过操纵解压缩来提供一系列量身定制的特性, 调整, 和老化参数.
通过采用最佳实践 - 例如±5°C炉控制, 精确的时机, 和适当的钝化 - 工程师可靠地实现所需的力量组合, 韧性, 和耐腐蚀性.
