17-4PH的材料简介

1关于17-4PH的材料简介我厂（兰州水泵总厂）在新型BB3泵（HDM1000-400/5与HDM600-400/5）研发上取得了新突破，众所周知，材料的选取对泵的性能有很大的影响，因此我部门研究人员通过共同努力，不断的尝试各种材料，通过计算它们的力学性能以及对比它们的物理性能与化学性能，最终决定选取17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢作为这次新泵的主导材料。17-4PH是美国的牌号，对应的我国牌号为0Cr17Ni4Cu4Nb。由于此钢低碳、高铬、且含铜,马氏体转变温度高于室温，经马氏体转变后，再经480-620℃时效处理，便可在马氏体基体中析出弥散的富铜相，使强度进一步增强，由于含碳量低，故其加工性能、耐腐蚀性能和焊接性能均比Cr13型及9Cr18、1Cr17Ni2等马氏体不锈钢为好。它的化学成分如下表所示：表117-4PH的化学成分元素%CSiMnCrNiCuNbPS17-4PH≤0.07≤1.00≤1.0015.5-17.53-53-50.15-0.45≤0.035≤0.03并且该钢固溶处理后具有奥氏体钢的优点，易于加工；随后经中间调节处理+时效处理可以获得较高的强度,因此被广泛用于压力容器、飞行器和汽轮机叶片等领域。由于它所具有的这些优越性能，所以它被使用在我厂HDM1000-400/5与HDM600-400/5新泵的重要零部件上，这些零部件有轴、各级叶轮、螺柱、螺母、泵体口环、级间衬套等。使用在这些部位主要是因为这些部位要么是与介质接触部位，要么就是受力很大的部位。比如叶轮与介质直接接触，这就要要求它的使用材料的抗腐蚀性能很强；轴要带动叶轮等转子部件一起转动，所以它要受很大的力，所需要的强度和韧性都要非常好，因此它的使用材料所需要的力学性能要非常好。而17-4PH这种材料它的抗腐蚀性能和力学性能恰好符合我们这两种新泵的要求。它的这两种性能介绍具体如下：一、抗腐蚀性能17-4PH合金的抗腐蚀能力优于其它任何的标准的可硬化的不锈钢。在大多数情况下,它的抗腐蚀能力均不亚于304。但在高强度状态下有发生应力腐蚀的可能性，如果存在应力腐蚀裂痕的风险,那么就要调整稳定化温度了较高的稳定化温度必须高于550℃,最好为590℃。如果在氯化物介质中最佳回火温度为550℃。在硫化氢介质中最佳回火温度为590℃。17-4PH这种合金在静态的海水中易遭受蚀损或裂缝腐蚀。但它在石油化工、食品加工及造纸业中的抗腐蚀能力和304L等级一样。2二、力学性能沉淀硬化不锈钢的力学性能与热处理状态有较大关系。17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢的常规热处理工艺为固溶+时效处理，通过调整组织和控制析出相来提高强度、硬度和耐蚀性。它的力学性能随着热处理的方式、温度、时间等因素的不同而发生着变化，而且不同的零件所需的力学性能也不相同，因此17-4PH的热处理在我们这次项目中也是难点之一。热处理时，冷却温度不同，力学性能不同。经试验而知，空冷和风冷的效果几乎是一致的,而缓冷的强度比两者要高很多,这主要是由于第一次时效缓冷时碳化物的析出比较充分,Ms点和Mf点提高,冷却时马氏体转变比较充分,残余奥氏体的量较少。冷却速度对17-4PH最终力学性能的影响是巨大的。17-4PH不锈钢的马氏体开始转变点在室温以上，经固溶处理后基体组织基本上是马氏体组织，其强度已经很高。在固溶处理的基础上进行不同的时效处理，可提高材料的强度，满足各种生产实际的需要，这是因为根据表1中17-4PH的化学成分可知，其主要沉淀硬化元素是铜、铌，有的为铝、钛等，利用这些元素的溶解度来实现强化过程。17-4PH不锈钢加热到奥氏体温度时，由于这些强化元素在奥氏体中的溶解度较大，而在马氏体中的溶解度较小，当冷却到马氏体温度后，即得到过饱和铜、铌的马氏体组织，马氏体本身具有高强韧性，从而得到一定程度的强化；再经时效处理后，溶解在基体组织中的过饱和铜、铌等元素析出，使材料得到进一步强化。因此可通过不同的热处理工艺来满足各种性能要求。固溶处理和时效处理后的具体力学性能如表3所示：表3力学性能（参照美标）31.固溶处理固溶处理是17-4PH钢不可或缺的一道热处理工艺。固溶时，加热温度应保证钢中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中，但也不宜过高。17-4PH钢的Ac1约为670℃，Ac3约为740℃，Ms为80～140℃，Mf约为32℃。因此标准中推荐的固溶温度为1020～1060℃。固溶温度不同，最终得到的组织与性能也不同。有人对17-4PH钢在不同固溶温度下的组织和性能进行了研究，所选择的固溶处理温度为1000、1040和1080℃。研究发现，经1040℃固溶处理后，试样硬度最高。这是由于当固溶处理温度较低时，加热得到的奥氏体不均匀，溶入的合金碳化物也很少，导致淬火后得到的马氏体硬度偏低；当固溶温度较高时，一方面晶粒粗大，另一方面合金碳化物过多地溶入到奥氏体中，奥氏体的稳定性将增加，马氏体转变点下降，因此淬火后马氏体量减少，残留奥氏体量增加，硬度降低。同时过高的加热温度还可能使固溶组织中存在较多含量的铁素体，影响最终的强化效果。因此必须精确的控制固溶温度，以保证所需的性能。由于17-4PH钢中含有铬、镍等元素，使得其在空冷时即可得到马氏体，但为了使固溶后组织更加细小，获得更好的强化效果，提高塑韧性，实际生产中多采用油冷方式。固溶处理后的显微组织是含有过饱和铜、铌的低碳板条马氏体，有时由于淬火不充分或者加热温度过高等原因，还会有少量残留奥氏体和铁素体。2．时效处理17-4PH钢的时效处理应根据对性能的要求，确定加热温度和保温时间。有研究表明，17-4PH钢在1040℃温度固溶后，随时效温度的升高，马氏体组织发生回火，且不断地析出沉淀相。450℃时效时已有铜、铌等沉淀相析出，到470～480℃时，晶内沉淀物颗粒细小且弥散分布，此时材料的硬度最高。之后，随时效温度的继续升高，硬度和强度下降，塑性、韧性提高。由于硬度和强度的变化规律类似，所以对硬度和强度有明确要求的工件，应严格控制时效温度，以满足使用要求。17-4PH钢时效过程中强度和塑性的变化规律与0Cr15Ni5Cu2TiC沉淀硬化不锈钢类似。17-4PH钢在510℃以上时效为过时效。为保证沉淀相的充分析出和时效效果，时效温度的保温时间一般不少于4h，保温后可采用空气却。相同时效温度下，时效保温时间不同最终获得的性能也不同。图1为17-4PH钢在350℃时效温度下，硬度随时效时间的变化曲线。可以看出，随保温时间的延长，试样的硬度不断升高，在时效处理的前期阶段，试样的硬度上升比较缓慢；时效到6000h后，试样的图14硬度上升较快；时效9000h左右时，试样的硬度达到最大值；之后，随时效时间的延长，硬度开始迅速下降。蚀率下降，耐海水腐蚀性远远优于直接时效试样。其原因是17-4PH钢经过调整处理后再进行时效，可有效避免贫铬区的形成，而铬正是保证金属良好耐蚀性的关键，同时马氏体组织变得细小，材料的组织均匀性得到提高。固溶后直接时效和固溶+调整+时效后的显微组织见图2。可以看出，经过调整处理的组织，晶粒轮廓较清晰，马氏体板条均匀细小，且位向关系明确。固溶后直接时效的组织，马氏体板条粗大，晶界分布着大量的白色析出相。调整处理后再进行时效的马氏体组织“遗传”了调整处理态的细小化特征，晶界相互连结成网状，将主要由马氏体和残留奥氏体组成的晶粒包束于其中，这种组织形态与钢中产生较多的逆转变奥氏体有关。图2未调整（a）和调整（b）处理后17-4PH钢显微组织至此，关于17-4PH材料的性能及热处理工艺就介绍完了，通过此文我们可以知道这种马氏体沉淀不锈钢的使用性能非常好，但影响力学性能的热处理过程控制比较难，不过我们技术部门将会在其他部门的协调配合之下尽我们最大的努力来解决这些困难。