劉振寶, 梁劍雄, 楊志勇, 古立新, 張秀麗, 孫常亮

(1.鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)所,北京 100081;2.北京航空材料研究院,北京 100095;3.撫順特殊鋼股份有限公司 遼寧撫順 113001)

早在1934年美國(guó)Foloy[1]獲得了沉淀硬化不銹鋼專利,于四十年代正式用于軍工,后來(lái)又推廣到民用。在第二次世界大戰(zhàn)期間,由于要求高強(qiáng)度,高耐蝕性材料,美國(guó)Carnagic Illinors公司于1946年發(fā)表了第一個(gè)馬氏體沉淀硬化不銹鋼Stainless W[2], 1948年美國(guó)Armco Steel公司發(fā)表了17-4PH和17-7PH[3],其中 17-4PH鋼應(yīng)用最為廣泛,但由于該鋼的組織中含有一定的δ-鐵素體,破壞了鋼的橫向韌、塑性能,于是在17-4PH鋼的基礎(chǔ)上,通過降 Cr,增Ni來(lái)減少鋼中鐵素體含量,提高鋼的橫向性能而發(fā)展出了15-5PH(0Cr15Ni5Cu4Nb)。

15-5PH鋼具有高強(qiáng)度、好的橫向韌性,熱處理工藝簡(jiǎn)單,變形小,使用性能、工藝性能兼?zhèn)涞忍攸c(diǎn),已在飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈殼體等關(guān)鍵部件上得到廣泛的應(yīng)用。隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展,鋼在飛機(jī)上所使用的比重逐漸降低,因此需要高強(qiáng)度的鋼材來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行件結(jié)構(gòu)上的減重,近年來(lái),一些(超)高強(qiáng)度鋼種的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程進(jìn)入了空前的快速發(fā)展階段,特別是沉淀硬化不銹鋼,例如15-5PH,PH13-8Mo,Custom465,AM355等等。國(guó)內(nèi)特殊鋼企業(yè)對(duì)15-5PH鋼棒材的工程化研究技術(shù)較成熟[4],但是對(duì) 15-5PH鋼中厚板材的研發(fā)尚屬于空白,為了滿足某型號(hào)飛機(jī)對(duì) 15-5PH鋼板材的需求,本文參照了美AMS5862F規(guī)范,設(shè)計(jì)并優(yōu)化了15-5PH鋼的合金成分區(qū)間,得到了碳含量不同的 3爐實(shí)驗(yàn)鋼,最終得到綜合性能優(yōu)越的15-5PH鋼的合金成分與制造工藝參數(shù),為15-5PH鋼板材的工程化提供了重要的實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用真空感應(yīng)爐熔煉(VIM 50Kg)熔煉,鋼的化學(xué)成分見表 1。表中 3爐試樣鋼中除了碳含量有所差異外,其余元素的含量基本相同,鋼錠經(jīng)過1150℃加熱和均勻化處理后,鍛成規(guī)格為 60mm厚×100mm寬的板坯,在1 板坯上取高溫拉伸試樣,得到如圖 1所示性能曲線,由圖 1可知,當(dāng)溫度大于900℃時(shí)鋼的強(qiáng)度明顯下降,而塑性顯著提高,而當(dāng)溫度大于 1100℃時(shí)強(qiáng)度雖然繼續(xù)下降,但是鋼的塑性明顯下降,可見,該鋼在 900℃～1100℃具有良好的塑性,適合進(jìn)行板材的軋制,在國(guó)產(chǎn) 2輥 350軋機(jī)軋成 δ15mm規(guī)格的板材,板材經(jīng)過 1040℃固溶處理,保溫 50min,空冷,再經(jīng)過 480℃,510℃,550℃, 580℃,620℃時(shí)效處理,空冷。

室溫拉伸與高溫拉伸試樣分別參照 GB/ T228—2002和 GB/T43389—2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。采用金相光學(xué)顯微鏡(MEF 4M型)和透射電鏡(H-800)觀察和分析了鋼的微觀組織結(jié)構(gòu),用PHILIPSAPD-10 X射線衍射儀分析了鋼中的奧氏體體積分?jǐn)?shù),采用FormastⅡ熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)得鋼的相變點(diǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table1 The analysis of chemical composition(mass fraction/%)

圖1 試樣的高溫拉伸性能曲線Fig.1 Mechanical properties at elevated temperature of test steel 1#

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳含量對(duì)鋼的相變點(diǎn)的影響

圖2為含碳量對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)的影響,結(jié)合表 1中鋼的合金成分,從圖 2中可以看出,1#鋼的Ac1,Ac3,Ms相變點(diǎn)溫度均高于2#,3#鋼,而且2#鋼的相變點(diǎn)高于 3#鋼,即隨著鋼中含碳量的增加鋼的相變點(diǎn)溫度逐漸降低,圖 b中,1#鋼的 Ms溫度為200℃,2#鋼為 175℃,3#鋼為 165℃,值得一提的是,馬氏體相變點(diǎn)Ms溫度的高低將會(huì)影響固溶處理后鋼中的殘余奧氏體的數(shù)量,殘余奧氏體數(shù)量過多,鋼的強(qiáng)度將會(huì)下降。

2.2 含碳量對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響

圖3為時(shí)效溫度對(duì)鋼的力學(xué)性能的影響,固溶工藝為1040℃保溫50min,空冷。從圖3a中可以看出,隨著時(shí)效溫度的升高,鋼的強(qiáng)度逐漸下降,當(dāng)溫度大于 550℃時(shí),鋼的屈服強(qiáng)度曲線下降的斜率均由緩變陡,由圖 2a可知,當(dāng)溫度大于 550℃時(shí)鋼中將產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)變奧氏體,從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度明顯降低;抗拉強(qiáng)度在 620℃時(shí)有上升趨勢(shì),由于在該溫度已經(jīng)進(jìn)入了奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域(如圖2a),生成的逆轉(zhuǎn)變奧氏體在隨后的冷卻過程中發(fā)生了二次馬氏體相變,從而使得鋼的抗拉強(qiáng)度有所提高。從圖3b中可以看出,塑性指標(biāo)(Z%,A%)隨著時(shí)效溫度升高逐漸升高,在 580℃到達(dá)最高點(diǎn)之后開始下降,在620℃降低到最低點(diǎn),這一點(diǎn)與圖 3a中抗拉強(qiáng)度在該溫度升高所對(duì)應(yīng),即由于馬氏體相變而使得強(qiáng)度提高,塑性下降。由于三爐實(shí)驗(yàn)鋼的含碳量不同而表現(xiàn)出強(qiáng)度上的差異,在不同的時(shí)效溫度下,含碳量較低的 1#鋼的強(qiáng)度均高于 2#,3#鋼,另外從圖3中可以看出,3#鋼的抗拉強(qiáng)度低于AMS5862F標(biāo)準(zhǔn)值,而2#鋼與 AMS標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值十分接近,富裕量不多,考慮到韌塑性指標(biāo)滿足要求的前提下(圖3b),要求強(qiáng)度越高越好,因此本文將選取 1#鋼的化學(xué)成分區(qū)間及工藝作為工程化的基準(zhǔn)。

圖3 時(shí)效溫度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of aging temperature on mechanical p roperties of test steels

2.3 碳含量對(duì)鋼中逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積分?jǐn)?shù)的影響

圖4為時(shí)效溫度對(duì)逆轉(zhuǎn)奧氏體體積分?jǐn)?shù)的影響,從圖中可以看出,在 480℃時(shí)效時(shí) 1#,2#,3#鋼中奧氏體含量分別為0.8%,1.0%,1.2%,隨著時(shí)效溫度的升高,逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增加,當(dāng)溫度大于 550℃時(shí)生成逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積數(shù)量快速增加,在 620℃時(shí)效時(shí)達(dá)到最大值;另外,含碳量較低的 1#鋼中生成逆轉(zhuǎn)變奧氏體數(shù)量低于 2#, 3#鋼的含量,而且在溫度高于 550℃時(shí)逆轉(zhuǎn)變奧氏體的生成速率也明顯低于其他兩爐鋼,由此可見,碳能夠增加鋼在時(shí)效中生成逆轉(zhuǎn)變奧氏體的驅(qū)動(dòng)力,促進(jìn)逆轉(zhuǎn)變奧氏體的生成,隨著碳含量增加逆轉(zhuǎn)變奧氏體生成的速率和數(shù)量均會(huì)有不同程度的增加,這也說明了圖 3a中,當(dāng)時(shí)效溫度大于 550℃時(shí)鋼的屈服強(qiáng)度快速降低的主要原因,也間接地證實(shí)了圖3b中,雖然在 620℃時(shí)逆轉(zhuǎn)變奧氏體體積分?jǐn)?shù)最多,但由于該溫度逆轉(zhuǎn)變奧氏體在冷卻過程中發(fā)生了馬氏體相變,而導(dǎo)致延伸率和斷面收縮率下降的現(xiàn)象。

圖4 時(shí)效溫度對(duì)鋼中奧氏體體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.4 Effectofaging temperatureon volume fraction ofaustenite

2.4 時(shí)效處理后鋼的顯微組織

圖5為 1#鋼經(jīng)過 550℃,620℃保溫 4h時(shí)效處理后的金相組織,從圖中可以看出,經(jīng)過時(shí)效處理后鋼的組織均為板條馬氏體組織,由于隨著時(shí)效溫度的升高,在鋼中會(huì)生成了大量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體,因此從圖 5b可以看到在板條間大量的白色條狀組織,即為逆轉(zhuǎn)變奧氏體。

圖5 1#實(shí)驗(yàn)鋼時(shí)效后金相組織Fig.5 Microstructure of 1#test steel after aging (a)550℃/4h;(b)620℃/4h

圖6為經(jīng)過550℃/4h處理后鋼的TEM組織,從圖6a,b中可以看出,經(jīng)過時(shí)效后在鋼中析出了大量的橢球狀強(qiáng)化相,經(jīng)過對(duì)其衍射譜(圖6c)分析后得到指數(shù)化結(jié)果,如圖 6d所示,證實(shí)了該強(qiáng)化相為面心立方結(jié)構(gòu)的富 Cu相,其點(diǎn)陣常數(shù) a0= 0.3615nm,由圖6d可知,富Cu相與馬氏體基體間滿足如下關(guān)系：這一關(guān)系滿足 K-S關(guān)系。圖 7為經(jīng)過 620℃/4h處理后鋼中析出大量富Cu相的TEM像,由衍射譜及指數(shù)化結(jié)果可知,富 Cu相與馬氏體間滿足：該關(guān)系仍為K-S關(guān)系,以上結(jié)果均與Habibi Bajguirani[5]所得到的結(jié)果相符合。由此可見,該鋼經(jīng)時(shí)效處理主要析出的強(qiáng)化相為富 Cu相,即該鋼的主要強(qiáng)化方式主要是依靠富Cu相來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖8為經(jīng)過為經(jīng)過 620℃×4h處理后鋼中逆轉(zhuǎn)變奧氏體與富Cu相的TEM組織,從圖8a,b中可以看出,經(jīng)過高溫時(shí)效處理后鋼中生成塊狀的逆轉(zhuǎn)變奧氏體,這與圖 5b金相組織中白色條狀組織相對(duì)應(yīng),經(jīng)過對(duì)其衍射譜圖 8c分析與標(biāo)定后得到如圖8d所示指數(shù)化結(jié)果,結(jié)果顯示逆轉(zhuǎn)變奧氏體與馬氏體基體間有如下關(guān)系：該關(guān)系滿足K-S關(guān)系,圖8b暗場(chǎng)像是由斑點(diǎn)得到,并且在暗場(chǎng)像中不僅顯示了塊狀的逆轉(zhuǎn)變奧氏體而且有大量細(xì)小的富 Cu析出相,通過對(duì)富Cu相與逆轉(zhuǎn)變奧氏體晶面間距的比較(如表2),奧氏體與富Cu相均為面心立方結(jié)構(gòu),點(diǎn)陣常數(shù)分別為0.3590nm,0.3615nm,兩者的面間距非常接近,從而在圖 8c的衍射譜中奧氏體的富Cu相的{111}Cu重合,因此在圖8b暗場(chǎng)像中同時(shí)出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)變奧氏體與富 Cu相,該指數(shù)化結(jié)果與圖7c中相近似。

圖8 經(jīng)過620℃×4h時(shí)效后1#鋼的TEM組織Fig.8 (a)and(b)Bright field and Dark field micrograph showing reverted austenite and Cu p recipitates after aging at 620℃for 4h;(c)and(d)Electron diffraction pattern showing the[1—00]M and the[1 1—0]γaustenite

表2 逆轉(zhuǎn)變奧氏體與富Cu相晶面間距對(duì)比Tab le 2 Comparison on Lattice spacing of Austenite and Cu precipitates

3 結(jié)論

(1)1#鋼的化學(xué)成分及工藝參數(shù)可作為 15-5PH沉淀硬化不銹鋼工程化的基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行工業(yè)化試制;

(2)時(shí)效后基體為板條馬氏體 +少量逆轉(zhuǎn)變奧氏體組織,同時(shí)析出了大量、細(xì)小的富Cu相,富Cu相是該鋼中的主要強(qiáng)化相,是強(qiáng)度提高的主要原因;

(3)15-5PH鋼板的最佳軋制溫度區(qū)間為900～1100℃,最終熱處理后含碳量較低的 1#鋼強(qiáng)度均高于2#鋼和3#鋼,而且具有良好的韌塑性與之匹配;

(4)在時(shí)效過程中隨著溫度的升高,含碳量較高的 2#鋼,3#鋼中生成的逆轉(zhuǎn)變奧氏體量及生成速率均高于 1#鋼,從而導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)變奧氏體量較多,降低了鋼的強(qiáng)度。

[1]FOLOY B F.Hardened Alloy Steel and Process of Harden-ing Same[P].U.S.patent：1943595,1934-01-16.

[2]SMITH R,WYCHE E H,GORR W W.Trans AIME, 1946,(167)：77～95.

[3]CLARKEW C,et al.Alloy and method,Hardenable Iron Alloy[P].U.S.Patents：2482096;2482097;2482098. 1949-09-20.

[4]王敏,孫利軍,姚長(zhǎng)貴,等.冶煉工藝對(duì) 15-5 PH鋼質(zhì)量影響[J].熱處理技術(shù)與裝備,2008,29(4)：32～36.

[5]HABIBI Bajguirani H R.The effect of ageing upon them icrostructure and mechanical properties of type 15-5PH stain less steel[J].Material Science and Engineering(A), 2002,(338)：142～159.