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1、精品论文固溶时效和离子渗氮对 17-4PH 不锈钢组织和性能的影响邢亮，李龙波，孙德顺，李建庄，马向东5（中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083） 摘要：本文采用固溶时效和离子渗氮工艺对 17-4PH 不锈钢进行了处理，利用金相试验和硬 度试验对试样进行了分析。研究了在固溶时效下离子渗氮对 17-4PH 不锈钢组织和硬度的影 响规律；调整处理对 17-4PH 不锈钢组织、硬度和渗氮层的影响规律。试验结果表明：17-4PH 不锈钢在 1040固溶、815调整处理、480时效处理、560离子渗氮处理，17-4PH 不10锈钢硬度达到最大值 49.3 HRC。关键词：固溶时效；离
2、子渗氮；调整处理；17-4PH 不锈钢；硬度中图分类号：TG156.8+2Effect of Solution and Aging and Ion nitriding on Structure15and Properties of 17-4PH Stainless SteelXING Liang, LI Longbo, SUN Deshun, Li Jianzhuang, MA Xiangdong (School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology
3、(Beijing), Beijing 100083)Abstract: Based on Solution and Aging and Ion nitriding process on 17-4PH Stainless Steel20processing, metallographic test and hardness test on the test specimen is analyzed. the influence law of structure and hardness of 17-4PH Stainless Steel by Ion itriding based on Solu
4、tion andAging was studied, and studied the law of the modification on Structure , Hardness and Nitriding layer of 17-4PH Stainless Steel. The test results showed that the maximum value of 17-4PH Stainless Steel on the treatment of solid solution at 1040, modification at 815, ageing25treatment at 480
5、, ion nitriding at 560 is 49.3 HRC.Keywords: Solution and Ageing; Ion-nitriding; Modification; 17-4PH Stainless Steel; Hardness0引言离子渗氮处理近来年发展较快，而应用在 17-4PH 不锈钢上的情况较少1。马氏体沉淀30硬化不锈钢以其优异的性能、相对低廉的价格，被广泛应用于石油化工、能源、汽车制造和 医疗器械的诸多领域2。它具有高的强度、良好的塑性、耐蚀性、冲击韧性、淬透性和抗脆 性破断性能等特点。由于 17-4PH 不锈钢含碳量较低，因而硬度不高3，为了进一步提高材
6、 料的耐磨性，提高材料的使用寿命，采用表面离子渗氮处理能提高马氏体沉淀硬化不锈钢的 耐磨性，能够显著扩大它的应用前景。35本文研究了固溶处理、时效处理、调整处理、离子渗氮工艺对 17-4PH 不锈钢组织和性 能的影响。1试验材料及方法试验材料为 17-4PH 马氏体沉淀硬化型不锈钢，其化学成分见表 1。40作者简介：邢亮，（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：耐磨材料及其应用。通信联系人：马向东，男，教授，主要研究方向：纳米摩擦学、耐磨材料及表面工程。E-mail: - 6 -表 1 17-4PH 不锈钢化学成分(质量百分数%)Tab. 1 Compositions of Type 1
7、7-4PH Stainless Steel(wt.%)CMnSiPSNiCrCu0.0530.620.570.0220.0214.5163.145试样尺寸为 30mm10mm15mm，试样在离子渗氮前的热处理工艺为真空固溶处理+时效处理。用 KSW-40-16 高温箱式电阻炉进行固溶和时效处理，固溶处理在加热到 1040， 保温 0.5 h，然后在质量分数为 75%的 NaCl 水溶液中冷却；随后进行调整处理；最后在不同 温度下时效处理 4 h，空冷。具体工艺如表 2 所示。50表 2 热处理工艺表Tab. 2 The table of Heat treament试验编号 热处理工艺1 固溶，
8、水冷；815 30min 调整处理，空冷；450 4h 时效；空冷2 固溶，水冷；815 30min 调整处理，空冷；480 4h 时效；空冷3 固溶，水冷；815 30min 调整处理，空冷；510 4h 时效；空冷4 固溶，水冷；815 30min 调整处理，空冷；540 4h 时效；空冷5 固溶，水冷；450 4h 时效；空冷6 固溶，水冷；480 4h 时效；空冷7 固溶，水冷；510 4h 时效；空冷8 固溶，水冷；540 4h 时效；空冷试样经真空固溶+时效处理后，用 LD275 型多元离子共渗炉渗氮，渗氮温度 560、渗55氮时间 7h、氨气流量 0.6L/min；用 OLYMP
9、USGX51 金相显微镜观察金相组织；用 HRSS-150 型洛氏硬度计测试热处理后各试样的硬度。2试验结果与讨论通过固溶+时效处理后经离子渗氮后试样的硬度试验结果见表 3。60热处理工艺表 3 硬度试验结果Tab. 3 The results of Hardness test平均硬度值/HRC450480510540A：固溶+时效+未渗氮40.345.642.440.2B：固溶+时效+调整处理+渗氮41.247.243.241.6C：固溶+时效+渗氮42.149.344.142.72.1 离子渗氮、时效处理和调整处理对 17-4PH 不锈钢硬度的影响2.1.1三离子渗氮对 17-4PH 不锈
10、钢硬度的影响65图 1 是经 A、C 热处理工艺后，离子渗氮对试样硬度的影响。由图 1 可见，试样在经过 固溶处理后，随着时效温度的提高，硬度先增大后减小，而且经过离子渗氮处理过的试样硬 度在对应时效温度下都比未经离子渗氮处理的大。50 固溶+时效 固溶+时效+渗氮4850固溶+调整+时效+渗氮固溶+时效+渗氮48硬度/HRC464644硬度/HRC44424240440 460 480 500 520540时效温度/440 460 480 500 520 540时效温度/图 1 离子渗氮对试样硬度的影响 图 2 调整处理对试样硬度的影响70Fig. 1 Effect of ion nitri
11、ding on hardness Fig. 2 Effect of modification on hardness of specimen of specimen2.1.2调整处理对 17-4PH 不锈钢硬度的影响图 2 是经 B、C 热处理工艺后，调整处理对试样硬度的影响。由图 2 可见，试样在经过75固溶处理后，随着时效温度的提高，硬度先增大后减小，而且经过调整处理过的试样硬度在 对应时效温度下都比未经离子渗氮处理的小。2.1.3时效处理对 17-4PH 不锈钢硬度的影响图 3 是经 A、B、C 热处理工艺后，时效处理对试样硬度的影响。由图 3 可见，试样在 经过固溶处理后，随着时效温度
12、的提高，硬度先增大后减小。其中试样渗氮与否、在 81580调整处理与否，最高硬度都在 480时效后出现。50 固溶+时效 固溶+调整+时效+渗氮48固溶+时效+渗氮硬度/HRC46444240460 480 500 520540时效温度/图 3 时效处理对试样硬度的影响Fig. 3 Effect of ageing on hardness of specimen8517-4PH 不锈钢经 1040固溶，480时效处理 4h，560、7h 渗氮处理，可获得较高的硬度，达到 49.3 HRC。2.2 17-4PH 不锈钢显微组织观察2.2.1基体组织图 4 是经固溶+时效处理后，试样基体组织形貌。
13、9095100105110115120125a) b) c) d)图 4 固溶+时效处理工艺后的基体组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fig. 4 The morphology of matrix organization after the solid solution and aging treatment processa)450, b)480, c) 510, d)540图 5 是经固溶+调整处理+时效处理后，试样基体组织形貌。a) b) c) d)图 5 固溶+调整处理+时效处理工艺后的基体组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fi
14、g. 5 The morphology of matrix organization after the solid solution,modification and aging treatment processa)450, b)480, c) 510, d)540图 6 是经 C 热处理工艺（固溶+时效+渗氮）处理后（试验编号 5-8），试样基体组织形 貌。a) b) c) d)图 6 试验编号 5-8 的基体组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fig. 4 The morphology of matrix organization of test number
15、5-8a)450, b)480, c) 510, d)540图 7 是经 B 热处理工艺（固溶+调整+时效+渗氮）处理后（试验编号 1-4），试样基体 组织形貌。a)b)c)d)图 7 试验编号 1-4 的基体组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fig. 7 The morphology of matrix organization of test number1-4a)450, b)480, c) 510, d)540由图 4 可见，固溶后直接时效处理，试样的显微组织主要为马氏体，在时效过程中析出 的主要沉淀相-Cu，它的析出有利于提高强度和硬度，且不会损害其他力学
16、性能；少量的 粒状 NbC 相的析出不仅起到沉淀硬化效果还因抑制了 Cr 的析出，增加了钢的耐蚀性4。时130135140145150155160效过程中析出的沉淀相弥散分布在晶粒内部和晶界上。对比图 4 与图 5，图 6 与图 7 可见，17-4PH 不锈钢在固溶和时效处理中间进行 815调 整处理，能使组织趋于均匀化。经调整处理后，可见其显微组织由马氏体、残余奥氏体和部 分沉淀析出相组成，组织形貌与直接时效处理有较明显区别5。调整处理后的马氏体组织细 小、均匀，这有助力于耐蚀性能提高。但随着时效处理温度的升高，合金碳化物的析出量增 多；固溶时奥氏体内晶体缺陷减少, 马氏体形成切变阻力减小，
17、从而导致马氏体板条逐步细 化，但提高了 Ms 点，减少了马氏体的含量，降低了组织硬度。2.2.2离子渗氮层图 8 是经 B 热处理工艺（固溶+调整+时效+渗氮）处理后（试验编号 1-4），试样基体 组织形貌。a) b) c) d)图 8 试验编号 1-4 渗氮层的组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fig. 8 The morphology of nitriding layer of test number 1-4a)450, b)480, c) 510, d)540图 9 是经 C 热处理工艺（固溶+时效+渗氮）处理后（试验编号 5-8），试样基体组织形 貌。a)
18、b) c) d)图 9 试验编号 5-8 渗氮层的组织形貌a)450, b)480, c) 510, d)540Fig. 9 The morphology of nitriding layer of test number 5-8a)450, b)480, c) 510, d)540图 5、图 6 中基体组织形貌，在调整处理后的马氏体组织细小、均匀，从而引起了离子 渗氮后渗层的厚度比未调整处理时的薄，如图 8、图 9 所示。渗氮层的化合物组织中，相的耐磨性最好，其次为相，最差的相为（+) 相，不锈钢离子渗氮的一个主要目的就是提高其耐磨性。合金元素对渗氮层硬度有较为显著 的影响，17-4PH 沉
19、淀硬化不锈钢中铬含量高达 17 %，而铬可以显著提高渗氮层硬度，因为 氮原子向心部扩散时，在渗氮层中发生氮原子和氮原子的偏聚，形成原子偏聚区，随后会析 出-Fe16N2 型过渡氮化物。这些偏聚区和过渡氮化物的析出，会强烈提高组织硬度6。因此，在调整处理、时效处理和离子渗氮的共同作用下，如图 3 所示，最终组织硬度最高点出现在试验编号 5，达到 49.3 HRC，其对应的热处理工艺为 1040固溶，480时效处 理 4h，560、7h 渗氮处理。1651703结论本文对 17-4PH 不锈钢的热处理工艺制度进行了优化试验，分别研究了在固溶+时效处 理后渗氮工艺、中间调整工艺对 17-4PH 不锈
20、钢组织和性能的影响。得出的结论如下：1）1040固溶+480时效处理后，离子渗氮工艺能提高 17-4PH 不锈钢组织硬度；2）1040固溶+480时效处理时，中间调整处理能均匀化 17-4PH 不锈钢组织；不进 行中间调整处理，经离子渗氮工艺后，渗氮层反而更厚些；3）在本试验中，17-4PH 不锈钢经 1040固溶+815调整处理+480时效处理+560 离子渗氮处理后，硬度达到最大值，为 49.3 HRC。参考文献 (References)1751 周华茂,王晓虹,孙智.17-4PH 不锈钢离子渗氮工艺J.金属热处理,2003,28(6):32-35. 2 陆世英等.不锈钢M.北京:原子能出版社,19953 王琦,卢军,李响妹等.17-4PH 不锈钢离子渗氮工艺研究J.热处理技术与装备,2012,33(4):12-15. 4 李颇,郭李波,王小奎.沉淀硬化型不锈钢 0Cr17Ni4Cu4Nb 试验研究J.黑龙江冶金,2006,3:7-9.5 杨雪春.热处理对耐热马氏体不锈钢 0Cr17Ni4Cu4Nb 性能的影响J.长沙大学学报,2006.20(5):32-34.6 温度对离子渗氮渗层厚度及表面硬度的影响J.河南石油,2004,18(5):60-61.