趙昌平， 靳丹萍， 劉歡歡， 趙 杰

（蘇州國環(huán)環(huán)境檢測有限公司，江蘇 蘇州，215011）

17-7PH（0Cr17Ni7Al）不銹鋼是在18-8 型奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上添加Al 而得到的半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，屬于高強度不銹鋼系列。17-7PH 不銹鋼集奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的優(yōu)點，既具有優(yōu)良的耐蝕性能和加工性能，又可以利用相變、變形和沉淀硬化等達到超高強度，同時兼具較好的塑性和韌性。17-7PH 不銹鋼在固溶態(tài)下具有較低的強度，較好的加工性能，然而在馬氏體轉(zhuǎn)變和時效后具有較高的強度和良好的耐蝕性能，因此,廣泛地應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，常用作控制儀器、儀表及各種耐蝕高彈性元件的制備[1-4]。

17-7PH 不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度（ M s 點）較低，固溶處理后不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還需要進行中間處理，然后再進行時效處理。嚴茂芳等[2]研究了17-7PH 不銹鋼的熱處理工藝，認為當(dāng)變形量超過80%時，進行1 050 ℃＋450 ℃時效處理，可獲得最佳性能。滕加莊等[5]研究了CH 工藝中時效處理對17-7PH不銹鋼力學(xué)性能的影響，認為其最佳時效溫度為410～430 ℃；杜大明等[6]研究了熱處理工藝對17-4PH不銹鋼組織和性能的影響，認為固溶處理后，隨著時效溫度的升高，其硬度先升高后降低，在460 ℃時效2 h 時獲得最高的維氏硬度。17-7PH 不銹鋼實現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變和沉淀硬化的常用熱處理方法有3 種[7-9]：CH900、TH950、RH950 處理。CH900 工藝最簡單（固溶＋冷變形＋時效），TH950工藝較復(fù)雜（固溶＋調(diào)質(zhì)＋時效），RH950 工藝最復(fù)雜（固溶＋調(diào)質(zhì)＋冷處理＋時效）。

本試驗主要研究17-7PH 不銹鋼在RH、TH 及CH 工藝處理過程中的時效制度對其微觀組織和維氏硬度的影響。

1 試驗方法

試驗用17-7PH 不銹鋼的化學(xué)成分如表1 所示。試樣尺寸為10 mm×15 mm×0.5 mm。TH 處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為T0)＋760 ℃/90 min 調(diào)質(zhì)處理，空冷(取樣記為T1)＋0 ℃/30 min 深冷處理(取樣記為T2)＋560 ℃/0，30，60，90 min 時效處理，空冷(取樣分別記為T3，T4，T5，T6)，TH 處理過程中取樣示意圖如圖1 所示。RH處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為R0)＋955 ℃/20 min 調(diào)質(zhì)處理，空冷(取樣記為R1)＋3 h 至-73 ℃/8 h 深冷處理(取樣記為R2)＋510 ℃/0，30，60 min 時效處理，空冷(取樣分別記為R3，R4，R5)，RH 處理工程中的取樣示意圖如圖2所示。CH 處理工藝：1 050℃/10 min 固溶處理，急冷(取樣記為C0)＋變形量為55%的冷變形＋482 ℃/0，30，60，90，120 h 時效處理，空冷(分別取樣記為C0，C3，C6，C9，C12)；另外，保溫120 min 后爐冷至200 ℃后取出的空冷試樣記為C12-1。

表 1 17-7PH 不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）Tab.1 Compositions of the 17-7PH stainless steel (mass fraction/%)

利用Wilson Tukon 1102 維氏硬度計在室溫環(huán)境下測試熱處理后各試樣的維氏硬度，加載力為1 000 gf （1 N=102 gf），加載時間為15 s，每個試樣測量5 個點，兩點間距離為2 mm。熱處理后的試樣經(jīng)金相制樣后用FeCl3∶HCl∶H2O=1∶3∶12 （體積分數(shù)比）的混合溶液進行腐蝕，采用JSM-6480 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察其組織形貌。

圖 1 TH 處理過程中取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sampling during TH treatment

圖 2 RH 處理過程中取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sampling during RH treatment

2 結(jié)果與討論

2.1 TH 及RH 處理不同階段組織

圖3 是17-7PH 不銹鋼在TH 處理及RH 處理過程中不同階段試樣的光學(xué)顯微組織圖。從圖3（a）中可以看出，T1 中只有極少的板條狀馬氏體存在；從圖3（b）中可以看出，經(jīng)過0 ℃冷處理后的T2 晶粒內(nèi)存在大量的板條狀馬氏體；從圖3（c）中可以看出，深冷處理后的時效處理過程中，在T6 基體中的板條狀馬氏體并未發(fā)生變化，但有析出相形成。RH 處理時，17-7PH 不銹鋼具有和TH 處理時相似的組織變化：從圖3（d）中可以看出，在R1 中有極少的板條狀馬氏體；從圖3（e）中可以看出，R2 中有大量的板條狀馬氏體；從圖3（f）中可以看出，R5 中的板條狀馬氏體與圖3（e）中R2 相比，未發(fā)生明顯的變化。

圖 3 17-7PH 不銹鋼樣品TH 處理及RH 處理過程中的光學(xué)顯微組織圖Fig.3 Optical microstructure images of the 17-7PH stainless steel samples during TH and RH treatments

2.2 熱處理工藝對17-7PH 不銹鋼硬度的影響

TH 處理下不同時效制度對17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響如圖4 所示。由圖4（a）可知，17-7PH不銹鋼固溶處理后維氏硬度最低，為188。深冷處理后，未進行時效處理的試樣的維氏硬度最高，為481，較固溶態(tài)提高了293；560 ℃時效后，隨著時效時間的延長，維氏硬度逐漸降低，但仍遠高于固溶態(tài)的維氏硬度。由圖4（b）可知，當(dāng)時效時間一定時，隨著時效溫度的升高，17-7PH 不銹鋼的維氏硬度逐漸降低。

RH 處理下不同時效制度對17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響如圖5 所示。由圖5（a）可知，固溶處理后維氏硬度最低，僅有188；RH 處理后，510 ℃/30 min 時效處理后的維氏硬度最高，為500，較固溶態(tài)提高了312；510 ℃時效處理時，維氏硬度隨時效時間的延長，先升高后降低，當(dāng)時效時間為30 min 時，達到峰值時效硬度。由圖5（b）可知，隨著時效溫度的升高，維氏硬度逐漸降低，變化趨勢與圖4（b）一致。

圖 4 TH 處理對17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.4 Influence of TH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

圖 5 RH 處理對17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.5 Influence of RH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

圖 6 CH 處理對17-7PH 不銹鋼維氏硬度的影響Fig.6 Influence of CH treatment on the Vickers hardness of 17-7PH stainless steel

CH 工藝處理過程中，不同時效制度對17-7PH不銹鋼維氏硬度的影響如圖6 所示。由圖6 可知，冷變形后，維氏硬度達到486，而后482 ℃時效處理時，隨著時效時間的延長，維氏硬度逐漸升高，時效時間超過60 min 后，維氏硬度基本保持不變；時效后空冷試樣和先爐冷至200 ℃而后空冷的試樣的維氏硬度相差不大，可見，時效處理后的冷卻速度對維氏硬度基本無影響。

圖7 是17-7PH 不銹鋼RH 和TH 處理過程中峰值時效硬度的對比圖。由圖7 可知，17-7PH 不銹鋼經(jīng)過固溶處理后，T0 和R0 的維氏硬度相同；TH 工藝下的調(diào)質(zhì)處理后的維氏硬度高于RH 工藝下調(diào)質(zhì)處理后的維氏硬度；RH 工藝下的深冷處理（-73 ℃/480 min）的維氏硬度高于TH 工藝下的深冷處理（0 ℃/30 min）的維氏硬度；RH 工藝處理過程中，510 ℃/30 min 的時效峰值硬度高于TH 工藝處理過程中未經(jīng)過時效處理的峰值硬度。

2.3 熱處理過程中的組織演變

圖 7 17-7PH 不銹鋼RH、TH 處理及峰值時效的硬度對比圖Fig.7 Vicker hardness comparison images of the 17-7PH stainless steel at RH, TH treatment and peak aging

圖8 和圖9 為TH 處理和RH 處理過程組織變化示意圖。從圖8 和圖9 中可以看出，對17-7PH 不銹鋼進行1 050 ℃/20 min 固溶處理，急冷，室溫組織主要為奧氏體，塑性較好，便于加工。調(diào)質(zhì)處理是通過奧氏體析出碳化物并將Ms 升高至室溫以上，以完成馬氏體轉(zhuǎn)變的工藝。當(dāng)進行RH 處理時，馬氏體中含有較多的碳和其他合金元素，而析出的碳化物較少，但是只有在較低溫度才能完成馬氏體的轉(zhuǎn)變，如圖9 所示，圖中黑色表示碳含量高、灰色表示碳含量低。時效處理是強化的過程，由于溶解于馬氏體中的過飽和元素在時效時析出從而達到強化的效果，析出物為Ni-Al 金屬間化合物。當(dāng)進行TH 處理時，Ms 約為70 ℃，完成馬氏體的轉(zhuǎn)變不需要冷處理，試驗采用0 ℃/30 min 深冷處理工藝。由于TH 處理的調(diào)質(zhì)溫度（760 ℃）低于RH 處理的調(diào)質(zhì)溫度（955 ℃），析出的碳化物較多，故TH 處理的硬度高于RH 處理的硬度，這與圖7 中T1/R1 的硬度對應(yīng)；TH 處理后馬氏體中的碳和其他合金元素較RH 處理后的少，因此冷處理后，生成的過飽和馬氏體的碳含量低，并且此時馬氏體的強化效果占主導(dǎo)地位，故而冷處理馬氏體轉(zhuǎn)變后，TH 處理的硬度較RH 處理的硬度低，此時對應(yīng)圖6 中T2/R2 點的硬度；時效處理后，由于TH 處理后基體溶解于馬氏體中的過飽和合金元素低，因此時效過程中析出的Ni-Al 金屬間化合物少，強化效果較RH 處理弱，故17-7PH 不銹鋼RH 處理后，峰值時效硬度更高。

圖 8 TH 處理過程組織變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of the microstructural changes during TH treatment process

圖 9 RH 處理過程組織變化示意圖Fig.9 Schematic diagram of the microstructural changes during RH treatment process

3 結(jié) 論

通過對17-7PH 不銹鋼的TH、RH 處理的研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）17-7PH 不銹鋼經(jīng)1 050 ℃/10 min 固溶處理后具有較好的塑性，硬度較低，維氏硬度為188。

（2）TH 處理及馬氏體化處理過程中，17-7PH 不銹鋼的硬度快速升高，馬氏體化處理后硬度較固溶處理后提高92%，在隨后的時效處理過程中，隨著時效時間的延長，硬度逐漸降低，560 ℃/0 min 到達峰值時效硬度，此時維氏硬度為481。

（3）RH 處理及馬氏體化處理過程中，17-7PH 不銹鋼的硬度同樣快速升高，馬氏體化處理后硬度較固溶處理后提高107%，在隨后的時效處理過程中，隨著時效時間的延長，該不銹鋼的硬度先升高后降低，510 ℃/30 min 時到達峰值時效硬度，此時維氏硬度為500。

（4）17-7PH 不銹鋼RH 處理后的峰值時效硬度較TH 處理后的峰值時效硬度高。